假 设 一 个 普 通 教 室 在 t = 9 : 00 时 为 u = 2 0 ∘ C , t ˇ = 9 : 05 时 教 室 的 温 度 u ˇ = 2 5 ∘ C 问 教 室 里 的 温 度 在 这 5 m i n 中 的 平 均 变 化 率 是 多 少 ? 很 明 显 Δ u Δ t = 1 ∘ C / m i n , 但 是 把 时 间 变 成 今 天 与 一 年 前 的 今 天 , 温 度 相 同 都 是 2 0 ∘ C 用 刚 才 的 方 法 来 算 其 平 均 变 化 率 就 成 了 0 , 很 显 然 这 个 结 果 不 能 描 述 实 际 情 况 如 果 我 们 令 Δ t → 0 , 我 们 就 能 求 某 时 刻 的 瞬 时 变 化 率 , 如 下 : f ′ ( x ) = lim Δ x → 0 f ( x 0 + Δ x ) − f ( x 0 ) Δ x 瞬 时 变 化 率 [ 注 1 ] 换 元 , 令 x 0 + Δ x = x , 则 f ′ ( x 0 ) = lim Δ x → x 0 f ( x ) − f ( x 0 ) x − x 0 [ 注 2 ] 左 右 导 数 , f + ′ ( x ) = lim Δ x → 0 + f ( x 0 + Δ x ) − f ( x 0 ) Δ x 右 导 数 , f − ′ ( x ) = lim Δ x → 0 − f ( x 0 + Δ x ) − f ( x 0 ) Δ x 左 导 数 [ 注 3 ] 导 数 存 在 的 条 件 , f ′ ( x 0 ) ∃    ⟺    f + ′ ( x 0 ) = f − ′ ( x 0 ) \begin{aligned} &假设一个普通教室在t=9:00时为u=20^\circ C,\check t=9:05时教室的温度\check u=25^\circ C\\ &问教室里的温度在这5min中的平均变化率是多少?\\ &很明显\frac{\Delta u}{\Delta t}=1^\circ C/min,但是把时间变成今天与一年前的今天,温度相同都是20^\circ C\\ &用刚才的方法来算其平均变化率就成了0,很显然这个结果不能描述实际情况\\ &如果我们令\Delta t\to0,我们就能求某时刻的瞬时变化率,如下:\\ &\color{red}{f'(x)=\lim_{\Delta x\to0}\frac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x}\ \ 瞬时变化率}\\ &\color{grey}[注1]换元,令x_0+\Delta x=x,则f'(x_0)=\lim_{\Delta x\to x_0}\frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}\\ &\color{grey}[注2]左右导数,f_+'(x)=\lim_{\Delta x\to0^+}\frac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x}右导数,f_-'(x)=\lim_{\Delta x\to0_-}\frac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x}左导数\\ &\color{grey}[注3]导数存在的条件,f'(x_0)\exists\iff f'_+(x_0)=f'_-(x_0) \end{aligned} 假设一个普通教室在t=9:00时为u=20∘C,tˇ=9:05时教室的温度uˇ=25∘C问教室里的温度在这5min中的平均变化率是多少?很明显ΔtΔu=1∘C/min,但是把时间变成今天与一年前的今天,温度相同都是20∘C用刚才的方法来算其平均变化率就成了0,很显然这个结果不能描述实际情况如果我们令Δt→0,我们就能求某时刻的瞬时变化率,如下:f′(x)=Δx→0limΔxf(x0+Δx)−f(x0) 瞬时变化率[注1]换元,令x0+Δx=x,则f′(x0)=Δx→x0limx−x0f(x)−f(x0)[注2]左右导数,f+′(x)=Δx→0+limΔxf(x0+Δx)−f(x0)右导数,f−′(x)=Δx→0−limΔxf(x0+Δx)−f(x0)左导数[注3]导数存在的条件,f′(x0)∃⟺f+′(x0)=f−′(x0)
幂 的 微 分 { d ( x 2 ) = 2 x d x d ( x n ) = n x n − 1 d x 微 分 的 幂 { d x 2 = ( d x ) 2 d x n = ( d x ) n d y = y ′ d x \begin{aligned} &幂的微分\begin{cases}d(x^2)=2xdx\\d(x^n)=nx^{n-1}dx\end{cases}\\ &微分的幂\begin{cases}dx^2=(dx)^2\\dx^n=(dx)^n\end{cases}\\ &dy=y'dx \end{aligned} 幂的微分{d(x2)=2xdxd(xn)=nxn−1dx微分的幂{dx2=(dx)2dxn=(dx)ndy=y′dx
[外链图片转存失败(img-bCNaeZ06-1562482602646)(D:\文字\公众号\考研\数学\张宇高数十八讲\4.一元函数微分\图.png)]
如 上 图 所 示 , f ( x ) = x 2 f ( x + Δ x ) = ( x + Δ x ) 2 = x 2 + 2 x Δ x + ( Δ x ) 2 令 Δ y = f ( x + Δ x ) − f ( x ) = 2 x Δ x + ( Δ x ) 2 Δ y = y ′ ( x ) ⋅ Δ x + ∘ ( Δ x ) , 则 y ′ ( x ) ⋅ Δ x = d y 称 为 线 性 全 部 ∴ Δ x = 1 ⋅ Δ x + 0    ⟹    d x = Δ x    ⟹    d y = y ′ ( x ) d x    ⟹    d y d x = y ′ ( x ) \begin{aligned} &如上图所示,f(x)=x^2\quad f(x+\Delta x)=(x+\Delta x)^2=x^2+2x\Delta x+(\Delta x)^2\\ &令\Delta y=f(x+\Delta x)-f(x)=2x\Delta x+(\Delta x)^2\\ &\Delta y=y'(x)\cdot\Delta x+\circ(\Delta x),则y'(x)\cdot\Delta x=dy称为线性全部\\ &\therefore \Delta x=1\cdot\Delta x+0\implies dx=\Delta x\\ &\implies dy=y'(x)dx\implies \frac{dy}{dx}=y'(x)\\ \end{aligned} 如上图所示,f(x)=x2f(x+Δx)=(x+Δx)2=x2+2xΔx+(Δx)2令Δy=f(x+Δx)−f(x)=2xΔx+(Δx)2Δy=y′(x)⋅Δx+∘(Δx),则y′(x)⋅Δx=dy称为线性全部∴Δx=1⋅Δx+0⟹dx=Δx⟹dy=y′(x)dx⟹dxdy=y′(x)
[ 例 1 ] 设 y = e x 2 , 求 d y d x , d y d ( x 2 ) , d 2 y d x 2 d y d x = y ′ = e x 2 ⋅ 2 x d 2 y d x 2 = y ′ ′ = e x 2 ⋅ 4 x 2 + e x 2 ⋅ 2 d y d ( x 2 ) = e x 2 ⋅ 2 x d x 2 x d x = e x 2 d y 2 x d x = 1 2 x ⋅ e x 2 ⋅ 2 x = e x 2 [ 例 2 ] y = f ( x ) , f ′ ( x 0 ) = 1 2 , Δ x → 0 时 , y = f ( x ) 在 x = x 0 处 得 微 分 d y 与 Δ x 是 ( 同 阶 非 等 价 ) d y = y ′ ( x 0 ) d x = 1 2 d x = 1 2 Δ x lim Δ x → 0 d x Δ x = lim Δ x → 0 1 2 Δ x Δ x = 1 2 [ 例 3 ] 设 f ( x ) = ( cos x − 4 ) sin x + 3 x , 求 d f ( x ) d ( x 2 ) d f ( a ) = f ′ ( x ) d x = ( − sin 2 x + ( cos x − 4 ) ⋅ cos x + 3 ) d x d ( x 2 ) = 2 x d x ∴ d f ( x ) d ( x 2 ) = − sin 2 x + ( cos x − 4 ) cos x + 3 2 x = ( cos x − 1 ) 2 x [ 例 4 ] 设 f ′ ( 0 ) = 1 , f ′ ′ ( 0 ) = 0 , 求 证 : 在 x = 0 处 , 有 d 2 d x 2 f ( x 2 ) = d 2 d x 2 f 2 ( x ) y 1 ′ = f ′ ( x 2 ) ⋅ 2 x , y 1 ′ ′ ∣ 0 = f ′ ′ ( x 2 ) ⋅ 2 x ⋅ 2 x + f ′ ( x 2 ) ⋅ 2 ∣ x = 0 = 2 y 2 ′ = 2 f ( x ) ⋅ f ′ ( x ) , y 2 ′ ′ ∣ 0 = 2 f ′ ( x ) f ′ ( x ) + 2 f ( x ) f ′ ′ ( x ) ∣ x = 0 = 2 \begin{aligned} \ [例1]&\color{maroon}设y=e^{x^2},求\frac{dy}{dx},\frac{dy}{d(x^2)},\frac{d^2y}{dx^2}\\ &\frac{dy}{dx}=y'=e^{x^2}\cdot2x\\ &\frac{d^2y}{dx^2}=y^{''}=e^{x^2}\cdot4x^2+e^{x^2}\cdot2\\ &\frac{dy}{d(x^2)}=\frac{e^{x^2}\cdot2xdx}{2xdx}=e^{x^2}\qquad\frac{dy}{2xdx}=\frac1{2x}\cdot e^{x^2}\cdot2x=e^{x^2}\\ [例2]&\color{maroon}y=f(x),f'(x_0)=\frac12,\Delta x\to0时,y=f(x)在x=x_0处得微分dy与\Delta x是(同阶非等价)\\ &dy=y'(x_0)dx=\frac12dx=\frac12\Delta x\\ &\lim_{\Delta x\to0}\frac{dx}{\Delta x}=\lim_{\Delta x\to0}\frac{\frac12\Delta x}{\Delta x}=\frac12\\ [例3]&\color{maroon}设f(x)=(\cos x-4)\sin x+3x,求\frac{df(x)}{d(x^2)}\\ &df(a)=f'(x)dx=(-\sin^2x+(\cos x-4)\cdot\cos x+3)dx\\ &d(x^2)=2xdx\\ \therefore & \frac{df(x)}{d(x^2)}=\frac{-\sin^2x+(\cos x-4)\cos x+3}{2x}=\frac{(\cos x-1)^2}{x}\\ [例4]&\color{maroon}设f'(0)=1,f''(0)=0,求证:在x=0处,有\frac{d^2}{dx^2}f(x^2)=\frac{d^2}{dx^2}f^2(x)\\ &y_1'=f'(x^2)\cdot2x,y_1^{''}|_0=f''(x^2)\cdot2x\cdot2x+f'(x^2)\cdot2|_{x=0}=2\\ &y_2'=2f(x)\cdot f'(x),y_2^{''}|_0=2f'(x)f'(x)+2f(x)f''(x)|_{x=0}=2\\ \end{aligned} [例1][例2][例3]∴[例4]设y=ex2,求dxdy,d(x2)dy,dx2d2ydxdy=y′=ex2⋅2xdx2d2y=y′′=ex2⋅4x2+ex2⋅2d(x2)dy=2xdxex2⋅2xdx=ex22xdxdy=2x1⋅ex2⋅2x=ex2y=f(x),f′(x0)=21,Δx→0时,y=f(x)在x=x0处得微分dy与Δx是(同阶非等价)dy=y′(x0)dx=21dx=21ΔxΔx→0limΔxdx=Δx→0limΔx21Δx=21设f(x)=(cosx−4)sinx+3x,求d(x2)df(x)df(a)=f′(x)dx=(−sin2x+(cosx−4)⋅cosx+3)dxd(x2)=2xdxd(x2)df(x)=2x−sin2x+(cosx−4)cosx+3=x(cosx−1)2设f′(0)=1,f′′(0)=0,求证:在x=0处,有dx2d2f(x2)=dx2d2f2(x)y1′=f′(x2)⋅2x,y1′′∣0=f′′(x2)⋅2x⋅2x+f′(x2)⋅2∣x=0=2y2′=2f(x)⋅f′(x),y2′′∣0=2f′(x)f′(x)+2f(x)f′′(x)∣x=0=2
[ 例 1 ] 证 明 : 若 f ( x ) 可 导 且 为 偶 函 数 , 请 推 f ′ ( x ) 为 奇 函 数 [ 分 析 ] 已 知 f ( x ) = f ( − x ) ∴ f ′ ( − x ) = lim Δ x → 0 f ( − x + Δ x ) − f ( − x ) Δ x = − lim − Δ x → 0 f ( x + ( − Δ x ) ) − f ( x ) − Δ x = − f ′ ( x ) [ 例 2 ] 证 明 f ( x ) 可 导 , 周 期 为 T , 请 推 f ′ ( x ) 的 周 期 也 是 T [ 分 析 ] 已 知 f ( x + T ) = f ( x ) ∴ f ′ ( x + T ) = lim Δ x → 0 f ( x + T + Δ x ) − f ( x + T ) Δ x = lim Δ x → 0 f ( x + Δ x ) − f ( x ) Δ x = f ′ ( x ) [ 例 3 ] f ( x ) 二 阶 可 导 , T = 2 , 奇 函 数 , 且 f ( 1 2 ) > 0 , f ′ ( x ) > 0 , 比 较 f ( − 1 2 ) , f ′ ( 3 2 ) , f ′ ′ ( 0 ) 的 大 小 ∵ 该 函 数 为 奇 函 数 ∴ f ( − x ) = − f ( x ) → f ( − 1 2 ) = − f ( 1 2 ) < 0 ∵ f ( x ) : T = 2 ∴ f ′ ( x ) : T = 2 且 f ′ ( x ) 为 偶 函 数 ∴ f ′ ( 3 2 ) = f ′ ( 3 2 − 2 ) = f ′ ( − 1 2 ) = f ′ ( 1 2 ) > 0 ∴ f ′ ′ ( x ) 为 奇 函 数 即 : f ′ ′ ( 0 ) = 0 得 f ( − 1 2 ) < f ′ ′ ( 0 ) < f ′ ( 3 2 ) [ 例 4 ] y = f ( x ) 与 y = ∫ 0 arctan x e − t 2 d t 在 ( 0 , 0 ) 处 切 线 相 同 , 写 出 切 线 方 程 , 求 lim n → ∞ n f ( 2 n ) [ 分 析 ] f ′ ( x 0 ) = k , 切 线 方 程 为 y − y 0 = f ′ ( x 0 ) ( x − x 0 ) ( ∫ 0 arctan x e − t 2 d t ) x ′ = e − ( arctan x ) 2 ⋅ 1 1 + x 2 , 令 x = 0 , 则 f ′ ( 0 ) = 1 , 故 切 线 方 程 为 y = x ∴ lim n → ∞ n f ( 2 n ) = 2 lim 2 n → 0 + f ( 0 + 2 n ) − f ( 0 ) 2 n = 2 ⋅ f ′ ( 0 ) = 2 [ 例 5 ] 设 f ′ ( 1 ) = 1 , 则 lim x → 1 f ( x ) − f ( 1 ) x 10 − 1 = ‾ a n − b n = ( a − b ) ( a n − 1 + a n − 2 b + ⋯ + a b n − 2 + b n − 1 ) I = lim x → 1 f ( x ) − f ( 1 ) ( x − 1 ) ( x 9 + x 8 + ⋯ + x + 1 ) = f ′ ( 1 ) ⋅ 1 10 = 1 10 [ 注 ] f ′ ( x ) = lim x → x 0 f ( x ) − f ( x 0 ) x − x 0 = lim Δ x → 0 f ( x 0 + Δ x ) − f ( x 0 ) Δ x [ 例 6 ] 设 f ( x ) 在 ( − ∞ , + ∞ ) 内 有 定 义 ( 存 在 ) 且 ∀ x , x 1 , x 2 ∈ ( − ∞ , + ∞ ) , 有 f ( x 1 + x 2 ) = f ( x 1 ) ⋅ f ( x 2 ) , f ( x ) = 1 + x g ( x ) , lim x → 0 g ( x ) = 1 , 证 明 f ( x ) 在 ( − ∞ , + ∞ ) 内 处 处 可 导 f ′ ( x ) = lim Δ x → 0 f ( x + Δ x ) − f ( x ) Δ x = lim Δ x → 0 f ( x ) ⋅ f ( Δ x ) − f ( x ) Δ x = f ( x ) lim Δ x → 0 f ( Δ x ) − 1 Δ x = f ( x ) lim Δ x → 0 1 + Δ x g ( Δ x ) − 1 Δ x = f ( x )    ⟹    f ′ ( x ) 处 处 存 在    ⟺    f ( x ) 处 处 可 导 \begin{aligned} \ [例1]&\color{maroon}{证明:若f(x)可导且为偶函数,请推f'(x)为奇函数}\\ &\color{black}[分析]已知f(x)=f(-x)\\ &\therefore f'(-x)=\lim_{\Delta x\to0}\frac{f(-x+\Delta x)-f(-x)}{\Delta x}=-\lim_{-\Delta x\to0}\frac{f(x+(-\Delta x))-f(x)}{-\Delta x}=-f'(x)\\ [例2]&\color{maroon}{证明f(x)可导,周期为T,请推f'(x)的周期也是T}\\ &\color{black}[分析]已知f(x+T)=f(x)\\ &\therefore f'(x+T)=\lim_{\Delta x\to0}\frac{f(x+T+\Delta x)-f(x+T)}{\Delta x}=\lim_{\Delta x\to0}\frac{f(x+\Delta x)-f(x)}{\Delta x}=f'(x)\\ [例3]&\color{maroon}{f(x)二阶可导,T=2,奇函数,且f(\frac12)>0,f'(x)>0,比较f(-\frac12),f'(\frac32),f''(0)的大小}\\ &\color{black}\because该函数为奇函数\therefore f(-x)=-f(x)\rightarrow f(-\frac12)=-f(\frac12)<0\\ &\because f(x):T=2 \therefore f'(x):T=2且f'(x)为偶函数\\ &\therefore f'(\frac32)=f'(\frac32-2)=f'(-\frac12)=f'(\frac12)>0\\ &\therefore f''(x)为奇函数\quad 即:f''(0)=0\\ &得f(-\frac12)<f''(0)<f'(\frac32)\\ [例4]&\color{maroon}{y=f(x)与y=\int_0^{\arctan x}e^{-t^2}dt在(0,0)处切线相同,写出切线方程,求\lim_{n\to\infty}nf(\frac2n)}\\ &\color{black}[分析]f'(x_0)=k,切线方程为y-y_0=f'(x_0)(x-x_0)\\ &(\int_0^{\arctan x}e^{-t^2}dt)'_x=e^{-(\arctan x)^2}\cdot\frac{1}{1+x^2},令x=0,则f'(0)=1,故切线方程为y=x\\ &\therefore\lim_{n\to\infty}nf(\frac2n)=2\lim_{\frac2n\to0^+}\frac{f(0+\frac2n)-f(0)}{\frac2n}=2\cdot f'(0)=2\\ [例5]&\color{maroon}{设f'(1)=1,则\lim_{x\to1}\frac{f(x)-f(1)}{x^{10}-1}}=\underline{\quad}\\ &a^n-b^n=(a-b)(a^{n-1}+a^{n-2}b+\cdots+ab^{n-2}+b^{n-1})\\ &I=\lim_{x\to1}\frac{f(x)-f(1)}{(x-1)(x^9+x^8+\cdots+x+1)}=f'(1)\cdot\frac1{10}=\frac1{10}\\ [注]&f'(x)=\lim_{x\to x_0}\frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}=\lim_{\Delta x\to0}\frac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x}\\ [例6]&\color{maroon}{设f(x)在(-\infty,+\infty)内有定义(存在)且\forall x,x_1,x_2\in(-\infty,+\infty),}\\ &\color{maroon}有f(x_1+x_2)=f(x_1)\cdot f(x_2),f(x)=1+xg(x),\lim_{x\to0}g(x)=1,证明f(x)在(-\infty,+\infty)内处处可导\\ &f'(x)=\lim_{\Delta x\to0}\frac{f(x+\Delta x)-f(x)}{\Delta x}=\lim_{\Delta x\to0}\frac{f(x)\cdot f(\Delta x)-f(x)}{\Delta x}\\ &=f(x)\lim_{\Delta x\to0}\frac{f(\Delta x)-1}{\Delta x}=f(x)\lim_{\Delta x\to0}\frac{1+\Delta xg(\Delta x)-1}{\Delta x}=f(x)\\ &\implies f'(x)处处存在\iff f(x)处处可导\\ \end{aligned} [例1][例2][例3][例4][例5][注][例6]证明:若f(x)可导且为偶函数,请推f′(x)为奇函数[分析]已知f(x)=f(−x)∴f′(−x)=Δx→0limΔxf(−x+Δx)−f(−x)=−−Δx→0lim−Δxf(x+(−Δx))−f(x)=−f′(x)证明f(x)可导,周期为T,请推f′(x)的周期也是T[分析]已知f(x+T)=f(x)∴f′(x+T)=Δx→0limΔxf(x+T+Δx)−f(x+T)=Δx→0limΔxf(x+Δx)−f(x)=f′(x)f(x)二阶可导,T=2,奇函数,且f(21)>0,f′(x)>0,比较f(−21),f′(23),f′′(0)的大小∵该函数为奇函数∴f(−x)=−f(x)→f(−21)=−f(21)<0∵f(x):T=2∴f′(x):T=2且f′(x)为偶函数∴f′(23)=f′(23−2)=f′(−21)=f′(21)>0∴f′′(x)为奇函数即:f′′(0)=0得f(−21)<f′′(0)<f′(23)y=f(x)与y=∫0arctanxe−t2dt在(0,0)处切线相同,写出切线方程,求n→∞limnf(n2)[分析]f′(x0)=k,切线方程为y−y0=f′(x0)(x−x0)(∫0arctanxe−t2dt)x′=e−(arctanx)2⋅1+x21,令x=0,则f′(0)=1,故切线方程为y=x∴n→∞limnf(n2)=2n2→0+limn2f(0+n2)−f(0)=2⋅f′(0)=2设f′(1)=1,则x→1limx10−1f(x)−f(1)=an−bn=(a−b)(an−1+an−2b+⋯+abn−2+bn−1)I=x→1lim(x−1)(x9+x8+⋯+x+1)f(x)−f(1)=f′(1)⋅101=101f′(x)=x→x0limx−x0f(x)−f(x0)=Δx→0limΔxf(x0+Δx)−f(x0)设f(x)在(−∞,+∞)内有定义(存在)且∀x,x1,x2∈(−∞,+∞),有f(x1+x2)=f(x1)⋅f(x2),f(x)=1+xg(x),x→0limg(x)=1,证明f(x)在(−∞,+∞)内处处可导f′(x)=Δx→0limΔxf(x+Δx)−f(x)=Δx→0limΔxf(x)⋅f(Δx)−f(x)=f(x)Δx→0limΔxf(Δx)−1=f(x)Δx→0limΔx1+Δxg(Δx)−1=f(x)⟹f′(x)处处存在⟺f(x)处处可导
[ 例 1 ] 设 f ( x ) 在 x = a 处 连 续 , F ( x ) = f ( x ) ⋅ ∣ x − a ∣ , 证 明 F ( x ) 在 x = a 处 可 导 的 充 要 条 件 为 f ( a ) = 0 ( 背 过 ) [ 分 析 ] F ( x ) = { − ( x − a ) f ( x ) , x < a 0 , x = a ( x − a ) f ( x ) , x > a F − ′ ( x ) = lim x → a − F ( x ) − F ( a ) x − a = lim x → a − − ( x − a ) f ( x ) − 0 x − a = − lim x → a − f ( x ) = − f ( a ) F + ′ ( x ) = lim x → a + F ( x ) − F ( a ) x − a = lim x → a + ( x − a ) f ( x ) − 0 x − a = lim x → a + f ( x ) = f ( a ) F ′ ( a ) ∃    ⟺    F − ′ ( a ) = F + ′ ( a )    ⟺    f ( a ) = 0 [ 例 2 ] 设 f ( x ) = ∣ x ∣ e − ∣ x − 1 ∣ , 求 f ′ ( 0 ) , f ′ ( 1 ) f ( x ) = { − x e x − 1 , x < 0 x e x − 1 , 0 ≤ x < 1 x e 1 − x , x ≥ 1 f + ′ ( 0 ) = ( e x − 1 + x e x − 1 ) ∣ x = 0 = e − 1 , 再 求 f − ′ ( 0 ) = − e − 1 , 即 f ′ ( 0 ) 不 存 在 f ′ ( 1 ) = ( e 1 − x − x e 1 − x ) ∣ x = 1 = 1 − 1 = 0 同 理 , 得 f − ′ ( 1 ) = 2 , f + ′ ( 1 ) = 0    ⟹    f ′ ( 1 ) 不 存 在 \begin{aligned} \ [例1]&\color{maroon}{设f(x)在x=a处连续,F(x)=f(x)\cdot|x-a|,证明F(x)在x=a处可导的充要条件为f(a)=0(背过)}\\ &\color{black}[分析]F(x)=\begin{cases}-(x-a)f(x),x< a\\0,x=a\\(x-a)f(x),x>a\end{cases}\\ &F'_-(x)=\lim_{x\to a^-}\frac{F(x)-F(a)}{x-a}=\lim_{x\to a^-}\frac{-(x-a)f(x)-0}{x-a}=-\lim_{x\to a^-}f(x)=-f(a)\\ &F'_+(x)=\lim_{x\to a^+}\frac{F(x)-F(a)}{x-a}=\lim_{x\to a^+}\frac{(x-a)f(x)-0}{x-a}=\lim_{x\to a^+}f(x)=f(a)\\ &F'(a)\exists\iff F'_-(a)=F'_+(a)\iff f(a)=0\\ [例2]&\color{maroon}{设f(x)=\mid x\mid e^{-\mid x-1\mid},求f'(0),f'(1)}\\ &f(x)=\begin{cases}-xe^{x-1},x<0\\xe^{x-1},0\leq x<1\\xe^{1-x},x\geq1\end{cases}\\ &f_+'(0)=(e^{x-1}+xe^{x-1})|_{x=0}=e^{-1},再求f_{-}'(0)=-e^{-1},即f'(0)不存在\\ &f'(1)=(e^{1-x}-xe^{1-x})|_{x=1}=1-1=0\\ &同理,得f_-'(1)=2,f_+'(1)=0\implies f'(1)不存在\\ \end{aligned} [例1][例2]设f(x)在x=a处连续,F(x)=f(x)⋅∣x−a∣,证明F(x)在x=a处可导的充要条件为f(a)=0(背过)[分析]F(x)=⎩⎪⎨⎪⎧−(x−a)f(x),x<a0,x=a(x−a)f(x),x>aF−′(x)=x→a−limx−aF(x)−F(a)=x→a−limx−a−(x−a)f(x)−0=−x→a−limf(x)=−f(a)F+′(x)=x→a+limx−aF(x)−F(a)=x→a+limx−a(x−a)f(x)−0=x→a+limf(x)=f(a)F′(a)∃⟺F−′(a)=F+′(a)⟺f(a)=0设f(x)=∣x∣e−∣x−1∣,求f′(0),f′(1)f(x)=⎩⎪⎨⎪⎧−xex−1,x<0xex−1,0≤x<1xe1−x,x≥1f+′(0)=(ex−1+xex−1)∣x=0=e−1,再求f−′(0)=−e−1,即f′(0)不存在f′(1)=(e1−x−xe1−x)∣x=1=1−1=0同理,得f−′(1)=2,f+′(1)=0⟹f′(1)不存在
[ 例 1 ] f ( x ) = 2 1 + x + arcsin 1 − x 1 + x 2 , f ′ ( 1 ) = ? 设 f 1 = 2 1 + x , f 2 = arcsin 1 − x 1 + x 2 f 1 ′ ( 1 ) = 2 2 , f 2 ( 1 ) = lim x → 1 f 2 ( x ) − f 2 ( 1 ) x − 1 = lim x → 1 arcsin 1 − x 1 + x 2 − 0 x − 1 = − 1 2 故 f ′ ( 1 ) = 2 2 − 1 2 [ 例 2 ] f ( x ) = ∏ n = 1 100 ( tan π x n 4 − n ) , 则 f ′ ( 1 ) = ? f ( x ) = ( tan π x 4 − 1 ) ( tan π x 2 4 − 2 ) … ( tan π x 100 4 − 100 ) 令 g ( x ) = ( tan π x 2 4 − 2 ) … ( tan π x 100 4 − 100 )    ⟹    f ( x ) = ( tan π x 4 − 1 ) ⋅ g ( x ) f ′ ( 1 ) = π 4 sec 2 π 4 ⋅ g ( 1 ) + ( tan π 4 − 1 ) g ′ ( 1 ) = − π 2 ⋅ 99 ! [ 例 3 ] f ( x ) = e 10 x ⋅ x ( x + 1 ) ( x + 2 ) … ( x + 10 ) , 求 f ′ ( 0 ) 令 g ( x ) = e 10 x ⋅ ( x + 1 ) ( x + 2 ) … ( x + 10 ) , 则 f ( x ) = x ⋅ g ( x ) f ′ ( x ) = g ( x ) + x ⋅ g ′ ( x ) = 10 ! [ 例 4 ] f ( x ) = x 2 3 sin x , 求 f ′ ( x ) 1. x ≠ 0 时 , f ′ ( x ) = ( x 2 3 ⋅ sin x ) ′ = 2 3 x − 1 3 sin x + x 2 3 ⋅ cos x 2. x = 0 时 , f ′ ( 0 ) = lim x → 0 f ( x ) − f ( 0 ) x − 0 = lim x → 0 x 2 3 sin x x = lim x → 0 x 2 3 = 0 故 f ′ ( x ) = { 2 3 1 x 3 sin x + x 2 3 ⋅ cos x , x ≠ 0 0 , x = 0 [ 注 ] ( u , v ) ′ = u ′ v + u v ′ 需 两 者 处 处 可 导 , 而 x 2 3 并 非 处 处 可 导 \begin{aligned} &\color{maroon}{[例1]f(x)=2\sqrt{1+x}+\arcsin\frac{1-x}{1+x^2},f'(1)=?}\\ &\color{black}设f_1=2\sqrt{1+x},f_2=\arcsin\frac{1-x}{1+x^2}\\ &f'_1(1)=\frac{\sqrt2}2,f_2(1)=\lim_{x\to1}\frac{f_2(x)-f_2(1)}{x-1}=\lim_{x\to1}\frac{\arcsin\frac{1-x}{1+x^2}-0}{x-1}=-\frac12\\ &故f'(1)=\frac{\sqrt2}2-\frac12\\ &\color{maroon}{[例2]f(x)=\prod}_{n=1}^{100}(\tan\frac{\pi x^n}4-n),则f'(1)=?\\ &\color{black}f(x)=(\tan\frac{\pi x}4-1)(\tan\frac{\pi x^2}4-2)\ldots(\tan\frac{\pi x^{100}}4-100)\\ &令g(x)=(\tan\frac{\pi x^2}4-2)\ldots(\tan\frac{\pi x^{100}}4-100)\implies f(x)=(\tan\frac{\pi x}4-1)\cdot g(x)\\ &f'(1)=\frac\pi4 \sec^2\frac{\pi}4\cdot g(1)+(\tan\frac{\pi}4-1)g'(1)=-\frac\pi2\cdot99!\\ &\color{maroon}{[例3]f(x)=e^{10x}\cdot x(x+1)(x+2)\ldots(x+10),求f'(0)}\\ &\color{black}令g(x)=e^{10x}\cdot(x+1)(x+2)\ldots(x+10),则f(x)=x\cdot g(x)\\ &f'(x)=g(x)+x\cdot g'(x)=10!\\ &\color{maroon}{[例4]f(x)=\sqrt[3]{x^2}\sin x,求f'(x)}\\ &\color{black}1.x\neq0时,f'(x)=(x^{\frac23}\cdot \sin x)'=\frac23x^{-\frac13}\sin x+x^{\frac23}\cdot \cos x\\ &2.x=0时,f'(0)=\lim_{x\to0}\frac{f(x)-f(0)}{x-0}=\lim_{x\to0}\frac{x^\frac23\sin x}{x}=\lim_{x\to0}x^\frac23=0\\ &故f'(x)=\begin{cases}\frac23\frac1{\sqrt[3]{x}}\sin x+x^\frac23\cdot \cos x,x\neq0\\0,x=0\end{cases}\\ &[注](u,v)'=u'v+uv'需两者处处可导,而x^{\frac23}并非处处可导\\ \end{aligned} [例1]f(x)=21+x+arcsin1+x21−x,f′(1)=?设f1=21+x,f2=arcsin1+x21−xf1′(1)=22,f2(1)=x→1limx−1f2(x)−f2(1)=x→1limx−1arcsin1+x21−x−0=−21故f′(1)=22−21[例2]f(x)=∏n=1100(tan4πxn−n),则f′(1)=?f(x)=(tan4πx−1)(tan4πx2−2)…(tan4πx100−100)令g(x)=(tan4πx2−2)…(tan4πx100−100)⟹f(x)=(tan4πx−1)⋅g(x)f′(1)=4πsec24π⋅g(1)+(tan4π−1)g′(1)=−2π⋅99![例3]f(x)=e10x⋅x(x+1)(x+2)…(x+10),求f′(0)令g(x)=e10x⋅(x+1)(x+2)…(x+10),则f(x)=x⋅g(x)f′(x)=g(x)+x⋅g′(x)=10![例4]f(x)=3x2sinx,求f′(x)1.x̸=0时,f′(x)=(x32⋅sinx)′=32x−31sinx+x32⋅cosx2.x=0时,f′(0)=x→0limx−0f(x)−f(0)=x→0limxx32sinx=x→0limx32=0故f′(x)={323x1sinx+x32⋅cosx,x̸=00,x=0[注](u,v)′=u′v+uv′需两者处处可导,而x32并非处处可导
( x k ) ′ = k x k − 1 ( ln x ) ′ = 1 x ( ln ∣ x ∣ ) ′ = 1 x ( e x ) ′ = e x ( a x ) ′ = a x ln a , a > 0 且 ̸ = 1 ( sin x ) ′ = cos x ( cos x ) ′ = − sin x ( tan x ) ′ = sec 2 x = 1 cos 2 x ( cot x ) ′ = − csc 2 x ( sec x ) ′ = sec x ⋅ tan x ( csc x ) ′ = − csc x ⋅ cot x ( ln ∣ cos x ∣ ) ′ = − tan x ( ln ∣ sin x ∣ ) ′ = cot x ( ln ∣ sec x + tan x ∣ ) ′ = sec x ( ln ∣ csc x − cot x ∣ ) ′ = csc x ( arctan x ) ′ = 1 1 + x 2 ( a r c cot x ) ′ = − 1 1 + x 2 ( arcsin x ) ′ = 1 1 − x 2 ( arccos x ) ′ = − 1 1 − x 2 ( ln ( x + x 2 + a 2 ) ) ′ = 1 x 2 + a 2 常 见 a = 1 ( ln ( x − x 2 − a 2 ) ) ′ = 1 x 2 − a 2 , x > a \begin{aligned} &(x^k)'=kx^{k-1}\qquad (\ln x)'=\frac1x\qquad(\ln\mid x\mid)'=\frac1x\\ &(e^x)'=e^x\qquad (a^x)'=a^x\ln a,a>0且\not=1\\ &(\sin x)'=\cos x\qquad(\cos x)'=-\sin x\qquad(\tan x)'=\sec^2x=\frac1{\cos^2x}\\ &(\cot x)'=-\csc^2x\qquad(\sec x)'=\sec x\cdot \tan x\qquad(\csc x)'=-\csc x\cdot \cot x\\ &(\ln\mid\cos x\mid)'=-\tan x\qquad(\ln\mid\sin x\mid)'=\cot x\\ &(\ln\mid\sec x+\tan x\mid)'=\sec x\qquad(\ln\mid\csc x-\cot x\mid)'=\csc x\\ &(\arctan x)'=\frac1{1+x^2}\qquad(arc\cot x)'=-\frac1{1+x^2}\\ &(\arcsin x)'=\frac1{\sqrt{1-x^2}}\qquad(\arccos x)'=-\frac1{\sqrt{1-x^2}}\\ &(\ln(x+\sqrt{x^2+a^2}))'=\frac1{\sqrt{x^2+a^2}}常见a=1\qquad(\ln(x-\sqrt{x^2-a^2}))'=\frac1{\sqrt{x^2-a^2}},x>a\\ \end{aligned} (xk)′=kxk−1(lnx)′=x1(ln∣x∣)′=x1(ex)′=ex(ax)′=axlna,a>0且̸=1(sinx)′=cosx(cosx)′=−sinx(tanx)′=sec2x=cos2x1(cotx)′=−csc2x(secx)′=secx⋅tanx(cscx)′=−cscx⋅cotx(ln∣cosx∣)′=−tanx(ln∣sinx∣)′=cotx(ln∣secx+tanx∣)′=secx(ln∣cscx−cotx∣)′=cscx(arctanx)′=1+x21(arccotx)′=−1+x21(arcsinx)′=1−x21(arccosx)′=−1−x21(ln(x+x2+a2))′=x2+a21常见a=1(ln(x−x2−a2))′=x2−a21,x>a
[ 例 1 ] 设 f ( x ) = x 3 + 2 x − 4 , g ( x ) = f [ f ( x ) ] , 则 g ′ ( 0 ) = ‾ 一 层 一 层 剥 开 她 的 心 g ′ ( x ) = f ′ [ f ( x ) ] f ′ ( x ) f ′ ( x ) = 3 x 2 + 2 , 则 f ′ ( 0 ) = 2 , f ′ ( − 4 ) = 50 g ′ ( 0 ) = f ′ [ f ( 0 ) ] f ′ ( 0 ) = f ′ ( − 4 ) f ′ ( 0 ) = 100 [ 例 2 ] 设 y = x 3 + 3 x + 1 , 则 d x d y ∣ y = 1 = ‾ d x d y ∣ y = 1 = 1 y x ′ ∣ x = 0 = 1 3 x 2 + 3 ∣ x = 0 = 1 3 [ 例 3 ] 已 知 可 微 函 数 y = y ( x ) , 由 方 程 y = − y e x + 2 e y sin x − 7 x 所 确 定 , 求 y ′ ′ ( 0 ) y = − y e x + 2 e y sin x − 7 x    ⟹    y ′ = − y ′ e x − y e x + 2 e y sin x ⋅ y ′ + 2 e y ⋅ cos x − 7    ⟹    y ′ ′ = − y ′ ′ e x − y ′ e x − y ′ e x − y e x + 2 e y ⋅ ( y ′ ) 2 sin x + 2 e y cos x ⋅ y ′ + 2 e y sin x ⋅ y ′ ′ + 2 e y ⋅ y ′ cos x − 2 e y sin x 由 x = 0 代 入 , 分 别 得 : { y = 0 y ′ = − 5 2 y ′ ′ = − 5 2 [ 例 4 ] 设 函 数 y = y ( x ) 由 参 数 方 程 { x = 1 + t 2 y = cos t 所 确 定 求 ( 1 ) d y d x 和 d 2 y d x 2 ; ( 2 ) lim x → 1 + d y d x 和 lim x → 1 + d 2 y d x 2 ( 1 ) d y d x = y t ′ x t ′ = − sin t 2 t d 2 y d x 2 = d ( d y d x ) d x = − 1 2 ( t cos t − sin t t 2 ) 2 t = − t cos t − sin t 4 t 3 ( 2 ) lim x → 1 + − sin t 2 t = lim t → 0 − sin t 2 t = − 1 2 lim x → 1 + = lim t → 0 sin t − t cos t 4 t 3 = lim t → 0 cos t − cos t + t sin t 12 t 2 = 1 12 [ 例 5 ] 设 f ( x ) = ∣ x ∣ e − ∣ x − 1 ∣ , 求 f ′ ( x ) ( 1 ) 先 写 出 f ( x ) = { − x e x − 1 , x < 0 x e x − 1 , 0 ≤ x < 1 x e 1 − x , x ≥ 1 ( 2 ) f ′ ( 0 ) 不 ∃ , f ′ ( 1 ) 不 ∃ ( 分 段 点 用 定 义 求 , 之 前 求 过 ) ( 3 ) 非 分 段 点 用 公 式 求 f ′ ( x ) = { ( − 1 − x ) e x − 1 , x < 0 ( 1 + x ) e x − 1 , 0 < x < 1 ( 1 − x ) e 1 − x , x > 1 \begin{aligned} \ [例1]&\color{maroon}设f(x)=x^3+2x-4,g(x)=f[f(x)],则g'(0)=\underline{\quad}\\ &一层一层剥开她的心\\ &g'(x)=f'[f(x)]f'(x)\\ &f'(x)=3x^2+2,则f'(0)=2,f'(-4)=50\\ &g'(0)=f'[f(0)]f'(0)=f'(-4)f'(0)=100\\ [例2]&\color{maroon}设y=x^3+3x+1,则\frac{dx}{dy}|_{y=1}=\underline{\qquad}\\ &\frac{dx}{dy}|_{y=1}=\frac1{y'_x}|_{x=0}=\frac1{3x^2+3}|_{x=0}=\frac13\\ [例3]&\color{maroon}已知可微函数y=y(x),由方程y=-ye^x+2e^y\sin x-7x所确定,求y''(0)\\ &y=-ye^x+2e^y\sin x-7x\\ &\implies y'=-y'e^x-ye^x+2e^y\sin x\cdot y'+2e^y\cdot \cos x-7\\ &\implies y''=-y''e^x-y'e^x-y'e^x-ye^x+2e^y\cdot(y')^2\sin x+\\ &2e^y\cos x\cdot y'+2e^y\sin x\cdot y''+2e^y\cdot y'\cos x-2e^y\sin x\\ &由x=0代入,分别得:\begin{cases}y=0\\y'=-\frac52\\y''=-\frac52\end{cases}\\ [例4]&\color{maroon}设函数y=y(x)由参数方程\begin{cases}x=1+t^2\\y=\cos t\end{cases}所确定\\ &\color{maroon}求(1)\frac{dy}{dx}和\frac{d^2y}{dx^2};\\ &\color{maroon}(2)\lim_{x\to1^+}\frac{dy}{dx}和\lim_{x\to1^+}\frac{d^2y}{dx^2}\\ (1)&\frac{dy}{dx}=\frac{y'_t}{x'_t}=\frac{-\sin t}{2t}\\ &\frac{d^2y}{dx^2}=\frac{d(\frac{dy}{dx})}{dx}=\frac{-\frac12(\frac{t\cos t-\sin t}{t^2})}{2t}=-\frac{t\cos t-\sin t}{4t^3}\\ (2)&\lim_{x\to1^+}\frac{-\sin t}{2t}=\lim_{t\to0}-\frac{\sin t}{2t}=-\frac12\\ &\lim_{x\to1^+}=\lim_{t\to0}\frac{\sin t-t\cos t}{4t^3}=\lim_{t\to0}\frac{\cos t-\cos t+t\sin t}{12t^2}=\frac1{12}\\ [例5]&\color{maroon}设f(x)=\mid x\mid e^{-\mid x-1\mid},求f'(x)\\ &(1)先写出f(x)=\begin{cases}-xe^{x-1},x<0\\xe^{x-1},0\leq x<1\\xe^{1-x},x\geq1\end{cases}\\ &(2)f'(0)不\exists,f'(1)不\exists(分段点用定义求,之前求过)\\ &(3)非分段点用公式求f'(x)=\begin{cases}(-1-x)e^{x-1},x<0\\(1+x)e^{x-1},0< x<1\\(1-x)e^{1-x},x>1\end{cases}\\ \end{aligned} [例1][例2][例3][例4](1)(2)[例5]设f(x)=x3+2x−4,g(x)=f[f(x)],则g′(0)=一层一层剥开她的心g′(x)=f′[f(x)]f′(x)f′(x)=3x2+2,则f′(0)=2,f′(−4)=50g′(0)=f′[f(0)]f′(0)=f′(−4)f′(0)=100设y=x3+3x+1,则dydx∣y=1=dydx∣y=1=yx′1∣x=0=3x2+31∣x=0=31已知可微函数y=y(x),由方程y=−yex+2eysinx−7x所确定,求y′′(0)y=−yex+2eysinx−7x⟹y′=−y′ex−yex+2eysinx⋅y′+2ey⋅cosx−7⟹y′′=−y′′ex−y′ex−y′ex−yex+2ey⋅(y′)2sinx+2eycosx⋅y′+2eysinx⋅y′′+2ey⋅y′cosx−2eysinx由x=0代入,分别得:⎩⎪⎨⎪⎧y=0y′=−25y′′=−25设函数y=y(x)由参数方程{x=1+t2y=cost所确定求(1)dxdy和dx2d2y;(2)x→1+limdxdy和x→1+limdx2d2ydxdy=xt′yt′=2t−sintdx2d2y=dxd(dxdy)=2t−21(t2tcost−sint)=−4t3tcost−sintx→1+lim2t−sint=t→0lim−2tsint=−21x→1+lim=t→0lim4t3sint−tcost=t→0lim12t2cost−cost+tsint=121设f(x)=∣x∣e−∣x−1∣,求f′(x)(1)先写出f(x)=⎩⎪⎨⎪⎧−xex−1,x<0xex−1,0≤x<1xe1−x,x≥1(2)f′(0)不∃,f′(1)不∃(分段点用定义求,之前求过)(3)非分段点用公式求f′(x)=⎩⎪⎨⎪⎧(−1−x)ex−1,x<0(1+x)ex−1,0<x<1(1−x)e1−x,x>1
[ 例 6 ] 设 y = f ( x ) 与 x = g ( y ) 互 为 反 函 数 , y = f ( x ) 可 导 且 f ′ ( x ) ̸ = 0 , f ( 3 ) = 5 , h ( x ) = f [ 1 3 g 2 ( x 2 + 3 x + 1 ) ] , 求 h ′ ( 1 ) h ′ ( x ) = f ′ [ 1 3 g 2 ( x 2 + 3 x + 1 ) ] 1 3 2 g ( x 2 + 3 x + 1 ) ⋅ g ′ ( x 2 + 3 x + 1 ) ⋅ ( 2 x + 3 ) h ′ ( 1 ) = f ′ ( 1 3 g 2 ( 5 ) ) ⋅ 2 3 g ( 5 ) ⋅ g ′ ( 5 ) ⋅ 5 由 y = f ( x ) 与 x = g ( y ) 是 反 函 数    ⟹    d y d x = f ′ ( x ) , d x d y = g ′ ( y )    ⟹    { f ′ ( x ) g ′ ( y ) = 1 f ( 3 ) = 5 , 3 = g ( 5 ) f ( x ) = y , x = g ( y )    ⟹    h ′ ( 1 ) = f ′ ( 3 ) ⋅ 2 3 g ( 5 ) ⋅ g ′ ( 5 ) ⋅ 5 = 10 [ 例 7 ] x = f ( y ) 是 函 数 y = x + ln x 的 反 函 数 , 求 d 2 f d y 2 x y ′ = 1 y x ′ , x y ′ ′ = − y x ′ ′ ( y x ′ ) 3 有 y x ′ = 1 + 1 x , y x ′ ′ = − 1 x 2 , x y ′ ′ = − y x ′ ′ ( y x ′ ) 3 = − − 1 / x 2 ( 1 + 1 x ) 3 = x ( 1 + x ) 3 \begin{aligned} \ [例6]&\color{maroon}设y=f(x)与x=g(y)互为反函数,y=f(x)可导且f'(x)\not=0,f(3)=5,h(x)=f[\frac13g^2(x^2+3x+1)],\\ &\color{maroon}求h'(1)\\ &h'(x)=f'[\frac13g^2(x^2+3x+1)]\frac132g(x^2+3x+1)\cdot g'(x^2+3x+1)\cdot(2x+3)\\ &h'(1)=f'(\frac13g^2(5))\cdot\frac23g(5)\cdot g'(5)\cdot5\\ &由y=f(x)与x=g(y)是反函数\implies\frac{dy}{dx}=f'(x),\frac{dx}{dy}=g'(y)\\ &\implies\begin{cases}f'(x)g'(y)=1\\f(3)=5,3=g(5)\\f(x)=y,x=g(y)\end{cases}\implies h'(1)=f'(3)\cdot\frac23g(5)\cdot g'(5)\cdot5=10\\ [例7]&\color{maroon}x=f(y)是函数y=x+\ln x的反函数,求\frac{d^2f}{dy^2}\\ &x'_y=\frac1y'_x,x''_y=-\frac{y''_x}{(y'_x)^3}\\ &有y'_x=1+\frac1x,y''_x=-\frac1{x^2},x''_y=-\frac{y''_x}{(y'_x)^3}=-\frac{-1/x^2}{(1+\frac1x)^3}=\frac{x}{(1+x)^3}\\ \end{aligned} [例6][例7]设y=f(x)与x=g(y)互为反函数,y=f(x)可导且f′(x)̸=0,f(3)=5,h(x)=f[31g2(x2+3x+1)],求h′(1)h′(x)=f′[31g2(x2+3x+1)]312g(x2+3x+1)⋅g′(x2+3x+1)⋅(2x+3)h′(1)=f′(31g2(5))⋅32g(5)⋅g′(5)⋅5由y=f(x)与x=g(y)是反函数⟹dxdy=f′(x),dydx=g′(y)⟹⎩⎪⎨⎪⎧f′(x)g′(y)=1f(3)=5,3=g(5)f(x)=y,x=g(y)⟹h′(1)=f′(3)⋅32g(5)⋅g′(5)⋅5=10x=f(y)是函数y=x+lnx的反函数,求dy2d2fxy′=y1x′,xy′′=−(yx′)3yx′′有yx′=1+x1,yx′′=−x21,xy′′=−(yx′)3yx′′=−(1+x1)3−1/x2=(1+x)3x
[ 例 1 ] 设 y = [ ( 1 + x ) ( 3 + x ) 9 ] 1 2 ⋅ ( 2 + x ) 4 , 求 y ′ ( 0 ) 取 对 数 , 再 求 导 ln y = 1 2 ln ( 1 + x ) + 9 2 ln ( 3 + x ) + 4 ln ( 2 + x )    ⟹    1 y ⋅ y ′ = 1 2 ⋅ 1 1 + x + 9 2 ⋅ 1 3 + x + 4 ⋅ 1 2 + x    ⟹    y ′ ( 0 ) = ( 1 2 + 9 6 + 2 ) ⋅ 3 9 2 ⋅ 2 4 = 2 6 ⋅ 3 9 2 [ 例 2 ] 设 f ( x ) = ( 1 + x ) x e x − 1 + arcsin 1 − x 1 + x 2 , 求 f ′ ( 1 ) 令 y 1 = ( 1 + x ) x e x − 1    ⟹    ln y 1 = 1 2 ( ln ( 1 + x ) + 1 2 ln x − ( x − 1 ) )    ⟹    1 y 1 ⋅ y 1 ′ ′ = 1 2 ( 1 1 + x + 1 2 x − 1 )    ⟹    y 1 ′ ( 1 ) 代 入 → 0 令 y 2 = arcsin 1 − x 1 + x 2    ⟹    y 2 ′ ( 1 ) = lim x → 1 y 2 ( x ) − y 2 ( 1 ) x − 1 = lim x → 1 arcsin 1 − x 1 + x 2 − 0 x − 1 = lim x → 1 1 − x 1 + x 2 x − 1 = − 2 2 故 f ′ ( 1 ) = − 2 2 \begin{aligned} \ [例1]&\color{maroon}设y=[(1+x)(3+x)^9]^{\frac12}\cdot(2+x)^4,求y'(0)\\ &取对数,再求导\\ &\ln y=\frac12\ln(1+x)+\frac92\ln(3+x)+4\ln(2+x)\\ &\implies\frac1y\cdot y'=\frac12\cdot\frac1{1+x}+\frac92\cdot\frac1{3+x}+4\cdot\frac1{2+x}\\ &\implies y'(0)=(\frac12+\frac96+2)\cdot3^{\frac92}\cdot2^4=2^6\cdot3^{\frac92}\\ [例2]&\color{maroon}设f(x)=\sqrt{\frac{(1+x)\sqrt x}{e^{x-1}}}+\arcsin\frac{1-x}{\sqrt{1+x^2}},求f'(1)\\ &令y_1=\sqrt{\frac{(1+x)\sqrt x}{e^{x-1}}}\implies\ln{y_1}=\frac12(\ln(1+x)+\frac12\ln x-(x-1))\\ &\implies\frac1{y_1}\cdot y_1''=\frac12(\frac1{1+x}+\frac1{2x}-1)\\ &\implies y'_1(1)\underrightarrow{代入}0\\ &令y_2=\arcsin\frac{1-x}{\sqrt{1+x^2}}\implies y_2'(1)=\lim_{x\to1}\frac{y_2(x)-y_2(1)}{x-1}\\ &=\lim_{x\to1}\frac{\arcsin\frac{1-x}{\sqrt{1+x^2}}-0}{x-1}=\lim_{x\to1}\frac{\frac{1-x}{\sqrt{1+x^2}}}{x-1}=-\frac{\sqrt2}{2}\\ &故f'(1)=-\frac{\sqrt2}2 \end{aligned} [例1][例2]设y=[(1+x)(3+x)9]21⋅(2+x)4,求y′(0)取对数,再求导lny=21ln(1+x)+29ln(3+x)+4ln(2+x)⟹y1⋅y′=21⋅1+x1+29⋅3+x1+4⋅2+x1⟹y′(0)=(21+69+2)⋅329⋅24=26⋅329设f(x)=ex−1(1+x)x+arcsin1+x21−x,求f′(1)令y1=ex−1(1+x)x⟹lny1=21(ln(1+x)+21lnx−(x−1))⟹y11⋅y1′′=21(1+x1+2x1−1)⟹y1′(1)代入0令y2=arcsin1+x21−x⟹y2′(1)=x→1limx−1y2(x)−y2(1)=x→1limx−1arcsin1+x21−x−0=x→1limx−11+x21−x=−22故f′(1)=−22
归纳法
莱布尼茨公式法
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[ 例 1 ] 求 下 列 导 数 ( 1 ) y = ln ( 1 + x ) , 求 y ( n ) ( 2 ) y = e x cos x , 求 y ( 4 ) ( 3 ) 设 f ( x ) = ( x 2 − 3 x + 2 ) n cos π x 2 16 , 则 f ( n ) ( 2 ) = ‾ ( 4 ) 设 f ( x ) = x 1 − 2 x 4 , 则 f ( 101 ) ( 0 ) = ‾ ( 1 ) ( 1 x ) ′ = ( x − 1 ) − 1 = ( − 1 ) x − 2 , ( 1 x ) ′ ′ = ( − 1 ) ( − 2 ) x − 3 , ( 1 x ) n = ( − 1 ) n ! x − ( n + 1 ) ( ln x ) ′ = 1 x , ( ln x ) n = ( 1 x ) n − 1 = ( − 1 ) n − 1 ( n − 1 ) ! ( ln ( 1 + x ) ) ( n ) = ( − 1 ) n − 1 ( n − 1 ) ! ( 1 + x ) − n [ 注 ] 同 理 , ( e x ) ( n ) = e x , ( a x ) ( n ) = a x ( ln a ) n ( sin k x ) ( n ) = k n sin ( k x + n ⋅ π 2 ) , ( cos k x ) ( n ) = k n cos ( k x + n ⋅ π 2 ) ( 2 ) ( u ⋅ v ) n = ∑ k = 0 n C n k u ( k ) v ( n − k ) = C n 0 u v ( n ) + C n 1 u ′ v ( n − 1 ) + ⋯ + C n n u ( n ) v ( 0 ) cos x ( e x ) 4 + 4 ( − sin x ) ( e x ) ′ ′ ′ + 6 ( − cos x ) ( e x ) ′ ′ + 4 sin x ( e x ) ′ + cos x ⋅ e x ( 3 ) ( x − 2 ) 3 → 3 ( x − 2 ) 2 → 6 ( x − 2 ) → 6 → 3 ! ( x − x 0 ) n 求 n 阶 导 数 得 到 n ! 故 f ( x ) = ( x − 2 ) n ( x − 1 ) n ⋅ cos π x 2 16 f ( n ) ( 2 ) = ( x − 2 ) n ∣ x = 2 + ( x − 2 ) n − 1 ∣ x = 2 + ⋯ + ( x − 2 ) ∣ x = 2 + 1 ⋅ n ! ⋅ 2 2 ( 4 ) { 1. 抽 象 展 开 f ( x ) = ∑ n = 0 ∞ f ( n ) ( 0 ) n ! x n 2. 具 体 展 开 式 f ( x ) = 3. 展 开 式 唯 一    ⟹    1 = 2    ⟹    f ( n ) ( 0 ) 1. f ( x ) = ∑ m = 0 ∞ f ( m ) ( 0 ) m ! x m 2. f ( x ) = x ⋅ ∑ n = 0 ∞ 2 n ⋅ x 4 n = ∑ n = 0 ∞ 2 n ⋅ x 4 n + 1 3. m = 101    ⟹    f ( 101 ) ( 0 ) ( 101 ) ! x 101    ⟹    4 n + 1 = 101    ⟹    n = 25    ⟹    2 25 x 101 即 f ( 101 ) ( 0 ) = 2 25 ( 101 ) ! [ 注 ] 1 1 − x = 1 + x + x 2 + c d o t s + x n + ⋯ = ∑ n = 0 ∞ x n , ∣ x ∣ < 1 1 1 − 狗 = ∑ n = 0 ∞ 狗 n , ∣ 狗 ∣ < 1 1 1 − 2 x 4 = ∑ n = 0 ∞ ( 2 x 4 ) n , ∣ 2 x 4 ∣ < 1 \begin{aligned} \ [例1]&\color{maroon}求下列导数\\ (1)&\color{maroon}y=\ln(1+x),求y^{(n)}\\ (2)&\color{maroon}y=e^x\cos x,求y^{(4)}\\ (3)&\color{maroon}设f(x)=(x^2-3x+2)^n\cos\frac{\pi x^2}{16},则f^{(n)}(2)=\underline{\quad}\\ (4)&\color{maroon}设f(x)=\frac{x}{1-2x^4},则f^{(101)}(0)=\underline{\quad}\\ (1)&(\frac1x)'=(x^{-1})^{-1}=(-1)x^{-2},(\frac1x)''=(-1)(-2)x^{-3},(\frac1x)^n=(-1)n!x^{-(n+1)}\\ &(\ln x)'=\frac1x,(\ln x)^n=(\frac1x)^{n-1}=(-1)^{n-1}(n-1)!\\ &(\ln(1+x))^{(n)}=(-1)^{n-1}(n-1)!(1+x)^{-n}\\ [注]&同理,(e^x)^{(n)}=e^x,(a^x)^{(n)}=a^x(\ln a)^n\\ &(\sin kx)^{(n)}=k^n\sin(kx+n\cdot\frac{\pi}2),(\cos kx)^{(n)}=k^n\cos(kx+n\cdot\frac{\pi}2)\\ (2)&(u\cdot v)^n=\sum_{k=0}^nC_n^ku^{(k)}v^{(n-k)}=C_n^0uv^{(n)}+C_n^1u'v^{(n-1)}+\cdots+C_n^nu^{(n)}v^{(0)}\\ &\cos x(e^x)^4+4(-\sin x)(e^x)'''+6(-\cos x)(e^x)''+4\sin x(e^x)'+\cos x\cdot e^x\\ (3)&(x-2)^3\to3(x-2)^2\to6(x-2)\to6\to3!\\ &(x-x_0)^n求n阶导数得到n!\\ &故f(x)=(x-2)^n(x-1)^n\cdot\cos\frac{\pi x^2}{16}\\ &f^{(n)}(2)=(x-2)^n|_{x=2}+(x-2)^{n-1}|_{x=2}+\cdots+(x-2)|_{x=2}+1\cdot n!\cdot\frac{\sqrt2}2\\ (4)&\begin{cases}1.抽象展开f(x)=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{f^{(n)}(0)}{n!}x^n\\2.具体展开式f(x)=\\3.展开式唯一\implies1=2\implies f^{(n)}(0)\end{cases}\\ &1.f(x)=\sum_{m=0}^{\infty}\frac{f^{(m)}(0)}{m!}x^m\\ &2.f(x)=x\cdot\sum_{n=0}^{\infty}2^n\cdot x^{4n}=\sum_{n=0}^{\infty}2^n\cdot x^{4n+1}\\ &3.m=101\implies \frac{f^{(101)}(0)}{(101)!}x^{101}\implies 4n+1=101\implies n=25\\ &\implies 2^{25}x^{101}即f^{(101)}(0)=2^{25}(101)!\\ [注]&\frac1{1-x}=1+x+x^2+cdots+x^n+\cdots=\sum_{n=0}^{\infty}x^n,\mid x\mid<1\\ &\frac1{1-狗}=\sum_{n=0}^{\infty}狗^n,\mid 狗\mid<1\\ &\frac1{1-2x^4}=\sum_{n=0}^{\infty}(2x^4)^n,\mid 2x^4\mid<1\\ \end{aligned} [例1](1)(2)(3)(4)(1)[注](2)(3)(4)[注]求下列导数y=ln(1+x),求y(n)y=excosx,求y(4)设f(x)=(x2−3x+2)ncos16πx2,则f(n)(2)=设f(x)=1−2x4x,则f(101)(0)=(x1)′=(x−1)−1=(−1)x−2,(x1)′′=(−1)(−2)x−3,(x1)n=(−1)n!x−(n+1)(lnx)′=x1,(lnx)n=(x1)n−1=(−1)n−1(n−1)!(ln(1+x))(n)=(−1)n−1(n−1)!(1+x)−n同理,(ex)(n)=ex,(ax)(n)=ax(lna)n(sinkx)(n)=knsin(kx+n⋅2π),(coskx)(n)=kncos(kx+n⋅2π)(u⋅v)n=k=0∑nCnku(k)v