函数导数公式及证明.doc
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基本初等函数的导数公式的推导过程.doc
导数的概念是微积分的基础。
本文将介绍基本初等函数的导数公式的推导过程,包括
幂函数的导数、指数函数的导数、对数函数的导数、三角函数的导数等。
一、幂函数的导数
幂函数是指形式为f (x)=xn的函数,它的导数是指其函数图像的切线斜率函数,表
示为f' (x)=dnxn-1,其中n是一个常数,如果n为0,则导数f' (x)也被称为常数函数,它的导数为0。
求幂函数的导数步骤如下:
① 根据常用求导法则,(xn)'= nxn-1 ;
② 如果n是正数,那么(xn)'= nxn-1 ;如果n是负数,则应该先做关于x的对称变换。
① 根据f (x)=a^x的定义,可以得出lnf(x)=xln a;
② 将x和a进行求导处理,即f' (x)=1*ln a +x*(ln a)^2;
③ 将上面的结果简略化,以得出最终结果f' (x)=a^xln a。
对数函数是指形式为f (x)=ln x的函数,它的导数表示为f' (x)=1/x 。
三角函数又分为正弦函数、余弦函数、正切函数。
1. 正弦函数的导数。
导数基础公式
在微积分中,导数是一个非常重要的概念。
它描述了函数在某一点处的变化率,也可以用来求解函数的最值、拐点等问题。
在这里,我们来介绍一些导数的基础公式。
1. 常数函数的导数为0
如果f(x) = c,其中c是一个常数,那么f(x)在任何点的导数都是0。
这是因为常数函数在任何点处的斜率都是0,即不会发生变化。
2. 幂函数的导数
如果f(x) = x^n,其中n是一个正整数,那么f(x)在任何点的导数为:
f'(x) = n*x^(n-1)
这个公式可以通过求导数的定义式来证明。
3. 指数函数的导数
如果f(x) = e^x,那么f(x)在任何点的导数为:
f'(x) = e^x
这个公式也可以通过求导数的定义式来证明。
4. 对数函数的导数
如果f(x) = ln(x),那么f(x)在任何点的导数为:
f'(x) = 1/x
这个公式也可以通过求导数的定义式来证明。
5. 三角函数的导数
如果f(x) = sin(x),那么f(x)在任何点的导数为:
f'(x) = cos(x)
如果f(x) = cos(x),那么f(x)在任何点的导数为:
f'(x) = -sin(x)
如果f(x) = tan(x),那么f(x)在任何点的导数为:
f'(x) = sec^2(x)
其中,sec(x)表示x的余切函数。
这些公式是导数的基础公式,掌握它们对于学习微积分和解决实际问题都非常重要。
当然,还有更多的导数公式,需要在学习中逐步掌握。
导数的基本公式与运算法则导数是微积分中的一个重要概念,它描述了函数在其中一点附近的变化率。
在计算导数时,有一些基本公式和运算法则可以帮助我们简化计算过程。
一、基本公式1.常数函数的导数公式对于常数函数f(x)=C,其中C是一个常数,其导数为f'(x)=0。
这是因为常数函数在任何点处的斜率都为0,所以其导数为0。
2.幂函数的导数公式对于幂函数f(x) = x^n,其中n是一个实数,其导数为f'(x) =nx^(n-1)。
这个公式可以通过使用极限定义来证明。
3.指数函数的导数公式对于指数函数f(x) = a^x,其中a是一个正实数且a≠1,其导数为f'(x) = ln(a) * a^x。
这个公式可以通过使用极限定义和指数函数的性质来证明。
4.对数函数的导数公式对于对数函数f(x) = log_a(x),其中a是一个正实数且a≠1,其导数为f'(x) = 1 / (x * ln(a))。
这个公式可以通过使用极限定义和对数函数的性质来证明。
5.三角函数的导数公式对于三角函数sin(x),cos(x),tan(x),cot(x),sec(x),csc(x)以及它们的反函数,它们的导数公式如下:sin'(x) = cos(x)cos'(x) = -sin(x)tan'(x) = sec^2(x)cot'(x) = -csc^2(x)sec'(x) = sec(x) * tan(x)csc'(x) = -csc(x) * cot(x)这些公式可以通过使用极限定义和三角函数的性质来证明。
二、运算法则1.和差法则如果两个函数f(x)和g(x)都可导,那么它们的和(或差)的导数等于它们的导数之和(或差):(f(x)±g(x))'=f'(x)±g'(x)2.积法则如果两个函数f(x)和g(x)都可导,那么它们的乘积的导数等于第一个函数乘以第二个函数的导数再加上第二个函数乘以第一个函数的导数:(f(x)*g(x))'=f'(x)*g(x)+f(x)*g'(x)3.商法则如果两个函数f(x)和g(x)都可导,且g(x)≠0,那么它们的商的导数等于第一个函数乘以第二个函数的导数减去第二个函数乘以第一个函数的导数,再除以第二个函数的平方:(f(x)/g(x))'=(f'(x)*g(x)-f(x)*g'(x))/(g(x))^24.复合函数的导数如果函数f(x)和g(x)都可导,那么复合函数f(g(x))的导数等于f'(g(x))乘以g'(x):(f(g(x)))'=f'(g(x))*g'(x)这些基本公式和运算法则是在计算导数时非常有用的工具,它们能够帮助我们简化计算过程并得到准确的结果。
函数导数公式及证明函数类型常量函数幂函数指数函数对数函数三角函数原函数f (x) C ,C为常量f (x)x af (x)x mf (x)a xf (x)e xf ( x)log a xf (x) ln xf (x)sin xf (x)cosx求导公式f ' ( x)0( x a )'ax a 1( x a )( n)a(a 1)...(a n1)x a n( a 0,1,2..., n1)( x m )( n) m! x m n, (n m)(m n)!( a x )' a xln a( a x )( n) a x ln n a , (0 a 1)(e x )'e x(e x )(n ) e x(log a x)' 1x ln a(log a x)(n ) ( 1)n 1 (n 1)! ,(0 a 1)x n ln a(ln x)' 1x(ln x) (n ) ( 1)n 1 (n 1)!x n(sin x)' cosx(sin x)( n) sin(x n )2(cosx)' sin x反三角函数双曲函数反双曲函数f (x)tan xf (x)cot xf (x) arcsinxf (x)arccosxf (x) arctanxf (x)arccot xf ( x)sinh xf ( x) coshxf (x)tanh xf ( x)coth xf (x)arsinh xf (x) arcoshxf (x)ar tanh x(cosx)( n) cos(x n )2(tan x)' sec2 x 1x1 (tan x)2cos2(cot x)' csc2 x 1 1 (cot x)2sin2 x(arcsin x) '11x2(arccos x)' 11 x2(arctan x)' 11 x2(arccot x)'11x2(sinh x)' coshx(cosh x)' sinh x(tanh x)' 1cosh2 x(coth x)' 1xsinh2( ar sinh x)' 1x21( ar cosh x) ' 1x2 1(ar tanh x)' 11 x2复合函数导数公式复合函数求导公式f ( x) g( x)f ( x)gg( x)f (x)g( x)g (x) ,f g (x)[ f ( x) g(x)]'f ' ( x)g ' ( x)[ f ( x)gg( x)]' f ' (x)gg (x) f ( x)gg ' ( x)[Cgf (x)] ' Cgf ' (x)'f ' (x)gg (x) f ( x)gg ' ( x)f ( x)g (x)g 2 (x)f ' g(x)f ' ( g( x))gg ' (x),1.证明幂函数 f ( x) x a 的导数为 f ' ( x) ( x a )' ax a 1证:f ' (x) limf ( xVx) f (x)lim ( x Vx)n x nVxVxVxVx根据二项式定理展开( x ) nVxlim(C n 0x nC n 1 x n 1 Vx C n 2 x n 2 Vx 2... C n n 1xVx n 1 C n n Vx n ) x nVxVx消去 C n 0 x n x nlim C n 1 x n 1VxC n 2 x n 2Vx 2 ... C n n 1 xVx n 1 C n n Vx nVxVx分式上下约去 Vxlim( C n 1 x n 1 C n 2 x n 2 Vx 1 ... C n n 1 xVx n 2 C n n Vx n 1)Vx因 Vx0 ,上式去掉零项 C n 1x n 1nx n 1lim( xVx x)[( x Vx)n 1x( x Vx)n 2 ... x n 2 ( x Vx) x n 1]Vx 0Vxlim[( x Vx)n 1 x( x Vx)n 2 (x)n 2( x Vx) x n 1]Vxx n 1xgx n 2 ... x n 2 gxx n 1ngx n 12.证明指数函数 f ( x) a x 的导数为 (a x )' a x ln a证:f '(x) limf ( xVx) f ( x)lima x Vxa xVx 0VxVxVxlim a x (a Vx1)Vx 0Vx令 a V x 1 m ,则有 Vx log a (m 1) ,代入上式lim a x (a Vx 1)lim a x m Vx 0Vx V x 0log a (m 1)lima x m lima x ln a a x ln aln( m1) 0 1 lim1Vx 0 V x ln(m Vx 01)mln am 1)ln( m1 )x1根据 e 的定义 elim(1 ,则 lim( m 1)me ,于是x V x 0xlima x ln aa x ln aa xln a1ln eVxln( m1)m3.证明对数函数 f ( ) log a x 的导数为 f ' (x) (log a x) '1 xx ln a证:f ' (x) lim f (x Vx) f (x) lim log a (x Vx) log a xVx 0 Vx Vx 0Vxlog a x Vx log a (1 Vx ) ln(1 Vx ) lim Vx x limx lim x V x 0V x 0 Vx V x 0Vx ln axln(1 Vx )ln(1 Vx ) Vx x lim Vx x limxVx 0 x ln a V x 0x ln a根据 e 的定义 e lim(11)x ,则 lim ln(1 Vx )x V x 0 xxVx e ,于是xxln(1Vx)V xln e 1 limx Vx 0x ln a x ln a x ln a4.证明正弦函数 f ( x) sin x 的导数为 f ' ( x) (sin x)' cosx证:f ' (x)lim f (x Vx) f (x) lim sin(x Vx) sin xVx 0 Vx Vx 0Vx根据两角和差公式sin(x Vx) sin x cosVx cos x sinVxsin(x Vx) sin x lim sin xcosVx cosxsinVx sin xlim VxVxVx 0 Vx 0因lim(sin x cosVx) sin x ,约去 sin x cosVx sin x ,于是Vxcosx sinVxlimVxV x 0sinVx因 lim1 ,于是Vx 0Vxlim(cos xsinVx) cosxVx 0 Vx5.证明余弦函数 f ( x) cosx 的导数为 f ' ( x) (cosx) 'sin x证:f ' (x) lim f ( x Vx) f (x) lim cos(x Vx) cosx Vx 0 Vx Vx 0Vx根据两角和差公式cos(x Vx) cosx cosVx sin x sinVxlim cos(x Vx)cosxlim cos x cosVxsin x sinVx cos xVxVxV xVx因 lim(cos x cosVx)cos x ,约去 cos x cosVx cos x ,于是Vx 0lim sin x sinVxVxVx 0因 limsinVx1 ,于是Vx 0Vxlim(sin x sinVxsin x)Vx 0Vx6.证明正切函数 f ( x) tan x 的导数为 f ' ( x)(tan x) '1 xcos 2 证:f ' (x) lim f ( x Vx) f ( x) lim tan(x Vx) tan xVx 0 Vx V x 0Vxsin(x Vx) sin xlim cos(x Vx) cos xlim sin( xVx)cos x sin x cos(x Vx)Vx 0Vx V x0 Vx cos(x Vx)cos x根据两角和差公式sin( x Vx) sin x cosVx cosx sinVx ,cos(x Vx) cosxcosVxsin xsinVx代入上式lim (sin x cosVx cosx sinVx)cos xsin x(cos x cosVx sin x sinVx)Vx 0Vxcos(x Vx)cos xlim cos x cosx sinVx ( sin x sin x sinVx)sinVx(cos xcosx sin x sin x)Vx cos(x Vx)cos xlimVx cos(x Vx)cos xVx 0V x因 cos 2 x sin 2 x 1sinVxlimVxVx cos(x Vx)cos x因 limsinVx 1 , lim cos(x Vx)cos x ,上式为Vx 0 Vx V x 0sinVx1 1lim2Vx 0 Vx cos(x Vx)cos x cos xf ( x) cot x 的导数为 f ' ( x) (cot x)'1sin 2 x证:f ' (x) lim f ( xVx) f ( x) lim cot( x Vx) cot xVx 0 Vx V x 0Vxcos(x Vx) cos xlim sin(x Vx) sin xlim cos(x Vx)sin xcos x sin(x Vx)Vx 0Vx V xVx sin( x Vx)sin x根据两角和差公式sin( x Vx) sin x cosVx cosx sinVx ,cos(x Vx) cosxcosVxsin xsinVx代入上式lim (cos xcosVxsin x sinVx)sin x cosx(sin x cosVx cos x sinVx)Vx 0Vx sin(x Vx)sin xlimsin 2 x sin Vxcos 2x sinVxsinVx(sin 2 x cos 2 x)Vx sin( xVx)sin xlimVx sin( x Vx)sin xVx 0Vx因 sin 2 xcos 2 x 1 , 且 limsinVx1 ,lim sin( x Vx)sin x ,代入上式Vx 0VxV x 0limsinVx 1 1Vx sin( x Vx)sin xsin 2 xVx 08.证明复合函数 f ( x) g( x) 的导数为'' ( x) g ' ( x)f ( x) g(x)f 证:f (x)'limf (x Vx)g (x Vx)f (x) g( x)g( x)VxV x 0f (x Vx) f (x)g (x Vx)g( x)limVxVxVxf ' ( x)g ' (x)9.证明复合函数 f ( x) g( x) 的导数为 'f ' ( x) g( x) f ( x)g ' ( x)f (x) g( x)证:'f ( x Vx) g(x Vx)f (x)g( x)f (x) g( x)limVxVxf ( x Vx) f ( x) f ( x) g( x Vx) f ( x) g( x Vx) g( x Vx)g (x)limV x 0 Vxlim f ( x Vx) f ( x) g( x Vx) f ( x) g (x Vx) f ( x)g ( x Vx) f ( x) g( x Vx) g ( x)VxVx 0lim f ( x Vx) f ( x) g( x Vx) f ( x) g ( x Vx) g( x)VxVx 0lim f (x Vx) f (x) g( x Vx) f ( x) g( xVx) g( x)Vx 0 Vx Vxf ' ( x)g (x) f ( x) g ' (x)f ( x) f ( x) ' f ' ( x) gg (x) f ( x)gg' (x) 10.证明复合函数的导数为g (x) g (x) g2 (x)证:' f ( x Vx) f ( x) g( x Vx) g ( x)f ( x)g ( x) limVx V x 0lim f (x Vx) g( x) f ( x) g( x Vx)Vxg( x)g (x Vx)Vx 0lim f ( x Vx) f ( x) f (x) g (x) f ( x) g (x Vx) g( x) g( x)Vxg (x)g( x Vx)Vx 0lim f ( x Vx) f ( x) g( x) f (x) g( x) f (x) g (x Vx) g(x) f ( x) g( x)Vxg( x) g( x Vx)Vx 0lim f ( x Vx) f ( x) g ( x) f (x) g(x Vx) g( x)Vxg( x) g (x Vx)Vx 0f ( x Vx) f ( x)g( x) f ( x) g( x Vx) g ( x)lim Vx Vxg (x)g( x Vx)Vx 0' f ' ( x)gg( x) f (x)gg' ( x)g 2 ( x)11.证明复合函数 f g ( x) 的导数为 f ' g( x)f ' (g ( x))gg ' ( x)证:f (g ( x)) ' lim f ( g( x Vx)) f (g ( x))VxV x令 u g(x) , 则有 Vu g(x Vx)g( x)lim f (u Vu)) f (u)VxVx 0lim f (u Vu)) f (u) Vu Vu Vx Vx 0lim f (u Vu)) f (u) g ( x Vx) g( x)VuVxVx 0f ' (u)gg ' ( x) f ' ( g( x))gg ' (x)'f ' (x) 12.证明复合函数 ln f ( x) 的导数为 ln f (x)f ( x)证:令 u f (x) ,ln f ( x) '''ln u gu1 gu 'f ' (x)u f (x)13.求复合函数 x x 的导数解:令 u x xln u x ln x'u ' 等式左边求导为ln uux ln x'ln x x 1 ln x 1等式右边求导为x 'ln x x(ln x)'xu'ln x 1,于是有uu' (ln x 1)u则(x x ) ' (ln x 1)x x14. 证明反三角函数arcsin x的导数为(arcsin x)' 11 x2 证:令 y arcsin x ,则sin y x对上式两边求导 , 等式右边 x' 1等式左边 ( 根据复合函数求导公式), 其导数为(sin y)' (cos y)gy'于是有 (cos y)gy' 1y' 1 1(cos y)1 sin 2y再将 y arcsin x 代入上式(arcsin x)' 1 11 sin2 (arcsin x) 1 x215. 证明反三角函数 arccos x 的导数为 (arccos x)' 11 x2 证:令 y arccosx ,则cosy x对上式两边求导, 等式右边x' 1'等式右边 ( 根据复合函数求导公式),其导数为 cos y(sin y)gy'于是有(sin y)gy' 1 ,整理后如下:y' 1 1(sin y) 1 cos2 y再将 y arccosx 代入上式(arccos x) ' 1 11 cos2 (arccos x) 1 x216. 证明反三角函数arctanx的导数为(arctanx)' 11 x2证:令 y arctanx ,则tan y x对上式两边求导, 等式右边x' 1'等式右边 ( 根据复合函数求导公式),其导数为 tan y(1 tan2 y)gy '于是有 (1 tan2 y)gy' 1 ,整理后如下:y' 11 tan2 y再将 y arctanx 代入上式(arctanx)' 1 11 tan2 arctan x 1 x217. 证明 : 反函数的导数为原函数导数的倒数 f 1 ' 1 ,( f ' ( x) 0)( y)'f ( x)如果函数 x ( y) 在某区间I y 内单调、可导且' ( y) 0 ,那么它的反函数y f (x) 在对应区间I x内也可导,并且 f ' (x) 1 。