高数笔记02:导数、微分、中值定理

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图源:文心一言

本文是我学习高等数学第二、三章导数、微分、中值定理的一些笔记和心得,希望可以与考研路上的小伙伴一起努力上岸~~

  • 第1版:查资料、画导图、归纳题型~

参考资料1:《高等数学》同济大学数学系编

参考资料2:《高等数学 基础篇》武忠祥

真题截图:2023考研数学复习辅导 历年考研数学真题 文都考研网 (wendu.com)

审核:BING AI


目录

目录

思维导图

导数

选填题目

计算题目 

微分中值定理

基本介绍

证明题目

函数的应用

选填题目

 解答题目

结语


思维导图

高数笔记02:导数、微分、中值定理_第2张图片

  • 思维导图为整理同济教材、武老师基础教材所列导数、微分、中值定理的内容,整理有点累哦,有兴趣复习概念的同学可以简单浏览一下~

导数

选填题目

选填题目类型1:导数与微分的概念,分段函数或初等函数是否存在极限

  • 计算法:求左导数与右导数,注意求闭区间端点导数可以使用求导公式,但求开区间端点导数即领域点导数时,需要使用左、右导数定义公式。
    • 以增量\Delta x与定点x_0计算的公式:\lim_{\Delta x \to 0+} \frac{\Delta y}{\Delta x}=\lim_{\Delta x \to 0+} \frac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x}
    • 以函数值x与定点x_0计算的公式:\lim_{\Delta x \to 0+} \frac{\Delta y}{\Delta x}=\lim_{\Delta x \to 0+} \frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}

 例题 2021年 数一 1题】

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 选填题目类型2:连续、可导、可微的关系

  • 一元函数,可导与可微能够互推,证明简述如下:
    • 因为:f'(x)+\alpha=\lim_{\Delta x \to 0} \frac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x}
    • 所以:f(x+x_0)-f(x_0)=f'(x_0)\Delta x+ o (\Delta x)
    • 注意:公式中的\alphao (\Delta x)都是无穷小量,表示近似~
  • 一元函数,连续是可导、可微的前提条件;注意,导数存在不一定是可导,例如可去间断点的左极限等于右极限,只能说该点导数存在,不能说可导哦~
    • 导数存在的前提条件:该点左、右导数存在且相等;
    • 可导的前提条件:该点导数存在且连续;
  • 连续不可推可导,同理不可推可微,举栗:y=|x|x_0=0

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 图源YY的上上签:【高等数学】函数连续、可导、可微_YY的上上签

 例题【2020年 数一 2题】

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 答谢:感谢评论区I Like Doraemon的指正,这道题目确实是选C不是B哈!!‍️‍️

  • A、B肯定是不能选的,因为它犯了导数存在就是可导的错误,需要增加连续作为前提;
  • C是考试的正确答案,这个等式是导数的高阶无穷小,可以选;
  • D这个答案有歧义,在武老师的书上分母是x^2而不是\sqrt{x^2},很多网上真题的题目分母是\sqrt{x^2},解答也是按照x^2作为分母去验证的。那我们讨论两种情况:
    • 假设题目分母是x^2时,极限变形\lim_{x \to 0}\frac{f(x)-f(0)}{x-0}\cdot \frac{1}{x},可导表示前面的分式结果存在,后面的分式是无穷,所以没办法保证是无穷,例如f(x)=x时,整个分式就无穷了~
    • 假设题目分母是\sqrt{x^2}时,个人觉得也不能选,\lim_{x \to 0}\frac{f(x)-f(0)}{x-0}\cdot \frac{x}{\sqrt{x^2}},可导表示前面的分式结果存在,且\sqrt{x^2}x是等价无穷小,且正负号会带来变化,例如:
      • f(x)=e^x-1,经过0点,导数值存在;
      • h(x)=\frac{e^x-1}{x},用等价无穷小化简,e^x-1~x,结果为1
      • g(x)=\frac{e^x-1}{\sqrt{x}^2},在h(x)的基础上,因正负号不同,结果为+1和-1;
      • p(x)=\frac{e^x-1}{\sqrt{|x|}},因为x\sqrt{x}是高阶无穷小,所以结果为0;
      • 我们上图表示:高数笔记02:导数、微分、中值定理_第6张图片

当然,如果我再次说错了欢迎小伙伴在评论区批评留言,博主真的超级感谢!!

计算题目 

 计算题目类型1,显函数求导数:

基本初等函数的导数公式

  • C'=0
  • (x^\alpha)'=\alpha x^{\alpha-1}
  • (a^x)'=a^xlna,特别地(e^x)'=e^x
  • (log_ax)'=\frac{1}{xlna},特别地(ln|x|)'=\frac{1}{x}
  • (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)
  • (arcsin(x))'=\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}(arccos(x))'=-\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}
  • (arctan(x))'=\frac{1}{1+x^2}(arccot(x))'=-\frac{1}{1+x^2}

有理运算法则

  • [u(x)±v(x)]'=u'(x)±v'(x)
  • [u(x)v(x)]'=u'(x)v(x)+u(x)v'(x)
  • [u(x)/v(x)]'=\frac{u'(x)v(x)-u(x)v'(x)}{v^2(x)}v(x)\neq 0

高阶导数有理运算法则

  • [u(x)±v(x)]^{(n)}=u^{(n)}(x)±v^{(n)}
  • (uv)^{(n)}=\sum_{k=0}^n C_n^ku^{(u-k)}v^{(k)};    //展开公式对应二项式定理

‍️‍️以下是公式证明简介,个人整理便于记忆公式~ 

基本初等函数的导数公式证明简述

推导公式是这个:\lim_{\Delta x \to 0} \frac{\Delta y}{\Delta x}=\lim_{\Delta x \to 0} \frac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x},注意\Delta x是无穷小;话说忘记无穷小公式的同学可以看向本系列第一篇博文~

高数笔记01:函数、极限、连续_梅头脑_的博客-CSDN博客

  • C'=0
    • f(x_0+\Delta x)-f(x_0)=C-C=0
  • (x^\alpha)'=\alpha x^{\alpha-1}
    • \alpha为正整数n时,
      • 代入公式,二项式展开

      • \lim_{\Delta x \to 0} \frac{(x+\Delta x)^n-x^n}{\Delta x}=\lim_{\Delta x \to 0} \frac{x^n+nx^{n-1}\Delta x+\frac{n(n-1)}{2} x^{n-2}\Delta x^2+...+\Delta x^n-x^n}{\Delta x}

      • 其中x^n被消掉,\frac{nx^{n-1} \Delta x}{\Delta x}=nx^{n-1},其余均乘无穷小x_0的正整数幂的项为0;

    • \alpha为实数时,
      • 代入,提公因式:\lim_{\Delta x \to 0} \frac{(x+\Delta x)^\alpha-x^\alpha}{\Delta x}=\lim_{\Delta x \to 0}\frac {x^{\alpha}}{x}\times \frac{(1+\Delta x/x)^{\alpha}-1}{\Delta x/x}

      • 等价无穷小化简:=\lim_{\Delta x \to 0}x^{\alpha-1}\times\frac{\alpha (\Delta x/x)}{\Delta x/x}=\alpha x^{\alpha-1}

  • (a^x)'=a^xlna
    • 代入公式,提公因式:\lim_{\Delta x \to 0} \frac{(a)^{x+\Delta x}-a^x}{\Delta x}=\lim_{\Delta x \to 0}a^x\times \frac{(a)^{\Delta x}-1}{\Delta x}

    • 等价无穷小公式化简:=\lim_{\Delta x \to 0}a^x\times \frac{\Delta xlna}{\Delta x}=a^xlna​​​​​​

  • (log_ax)'=\frac{1}{xlna},特别地(ln|x|)'=\frac{1}{x}

    • 代入,对数性质化简:\lim_{\Delta x \to 0} \frac{log_a(x+\Delta x)-log_ax}{\Delta x}=\lim_{\Delta x \to 0}\frac{1}{\Delta x}log_a(1+\frac{\Delta x}{x})

    • 等价无穷小:=\lim_{\Delta x \to 0}\frac{1}{x}\frac{x}{\Delta x}log_a(1+\frac{\Delta x}{x})=\lim_{\Delta x \to 0}\frac{1}{x}\frac{log_a(1+\frac{\Delta x}{x})}{\frac{\Delta x}{x}}=\frac{1}{x}lna

  • (sin(x))'=cos(x)(cos(x))'=-sin(x)

    • 代入公式,和差化积展开:

    • \lim_{\Delta x \to 0} \frac{sin(x+\Delta x)-sinx}{\Delta x}=\lim_{\Delta x \to 0}\frac{sin(x)cos(\Delta x)+cos(x)sin(\Delta x)-sinx}{\Delta x}

    • 前项为 零x无穷小=0,后项等价无穷小公式化简:

    • 围观大佬们的花式解法,打开崭新世界:sinx求导为什么是cosx? - 知乎

  • (tan(x))'=sec^2(x)(cot(x))'=-csc^2(x)

    • 化为sinx/cosx,采用商的求导法则可证:

    • (tan(x))'=(\frac{sin(x)}{cos(x)})'=\frac{sin'(x)cos(x)-cos'(x)sin(x)}{cos^2(x)}=\frac{1}{cos^2(x)}=sec^2(x)

  • (sec(x))'=sec(x)tan(x)(csc(x))'=-csc(x)cot(x)

    • 化为1/cosx,采用商的求导法则可证:

    • (sec(x))'=(\frac{1}{cos(x)})'=\frac{(1)'cos(x)-cos'(x)1}{cos^2(x)}=\frac{sin(x)}{cos^2(x)}=tan(x)sec(x)

  • (arcsin(x))'=\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}(arccos(x))'=-\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}

    • x=siny,利用反函数求导法则可证:

    • (arcsin(x))'=\frac{1}{(sin(y))'}=\frac{1}{cos(y)}=\frac{1}{\sqrt{1-sin^2y}}=\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}

  • (arctan(x))'=\frac{1}{1+x^2}(arccot(x))'=-\frac{1}{1+x^2}

    • x=tany,利用反函数求导法则可证:

    • (arctan(x))'=\frac{1}{(tan(y))'}=\frac{1}{sec^2(y)}=\frac{1}{1+tan^2(y)}=\frac{1}{1+x^2}

 例题【2015年 数二 10题】高阶函数求导

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  例题【2022年 数三 13题】复合函数求导

高数笔记02:导数、微分、中值定理_第8张图片

 计算题目类型2,隐函数求导数: 

  • F(x,y)=0【直角方程】
    • 普通函数:恒等式左右两边求导,得到F[x,y(x)]\equiv0
    • 幂指函数:y=u(x)^{v(x)}可以化为对数\ln y=v(x) \ln u(x)求导。
  • \begin{cases}x=\phi(t) \\ y=\psi(t)\\\end{cases}【参数方程】
    • 一阶可导:根据复合函数与反函数的求导法则,\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=\frac{\phi'(t)}{\psi'(t)}

    • 二阶可导:根据复合函数与反函数的求导法则,\frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}x^2}=\frac{\phi''(t)\psi'(t)-\phi'(t)\psi''(t)}{\psi'^2(t)}\cdot\frac{1}{\psi'(t)}

    • 注意:参数方程是近年的高频考点,求二阶导数容易只写\frac{\phi''(t)\psi'(t)-\phi'(t)\psi''(t)}{\psi'^2(t)},遗漏\frac{1}{\psi'(t)};因为这是对t求导二阶导数,而不是对x求二阶导数,所以在商导时要记住分母x的方程也含有t哦~~

 例题【2020年 数一 13题】参数函数求导

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微分中值定理

基本介绍

这里省略复杂的定义[毕竟已经在思维导图中写过一遍啦],借图快速复习~

图源Curren:高数第3章 微分中值定理及导数应用 - 知乎 (zhihu.com)

罗尔中值定理简述:区间端点A、B相等,连续曲线f(x),区间内总有1点[记为\xi]的切线斜率=0;

拉格朗日中值定理简述:区间端点A、B,连续曲线f(x),区间内总有1点[记为\xi]的切线斜率为=区间端点AB连线斜率;

高数笔记02:导数、微分、中值定理_第10张图片

柯西中值定理简述:可以近似看作参数方程版本的拉格朗日中值定理;当F(x)=x时,柯西中值定理便转化为拉格朗日中值定理~

证明题目

证明题目类型1,求方程的根

  • 证明有根存在
    • 适合方程系数已知或可以估算f(x)的极限正负值:找出方程f(a)>0及f(b)<0的两点,根据零点定理可证明方程在(a,b)有根;[零点定理在本系列第一章有介绍]
    • 适合方程系数未知或可以推算F(x)在两点处为零:记F’(x)=f(x),根据题目条件,找到a、b两点使F(a)=F(b),根据罗尔定理可证明F’(x)即f(x)在(a,b)有根;
  • 证明根的个数
    • 将方程记为函数,求导,解出f’(x)=0的点,根据方程单调性判定根的个数~

证明题目类型2,证明不等式

  • 两个常见结论
    • sin(x)<x<tan(x),x\in (0,\frac{\pi}{2}),在证明第一个重要极限时采用几何法证明:
      • 画1/4单位圆,OA的长度为1,设角度DOB为x,则弧线AC根据弧长公式为x,AB为sinx,AD为tanx[数学中的tan是什么意思?_百度知道 (baidu.com)],由S▲OBA<S扇形OBA
      • 图源cabrnary:两个重要极限- 知乎 (zhihu.com)

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    • \frac{x}{1+x}<ln(1+x)<x,x>0,证明过程如下:
      • 根据题目条件,可以设公式f(t)=ln(1+t),并能够确定区间[0,x]
      • 列拉格朗日中值定理的等式:\frac{f(x)-f(0)}{x-0}=f'(\xi),并同时可求出f'(\xi)=(ln(1+t))'|_{t=\xi}=\frac{1}{1+\xi}

      • 将函数值,导数值代回拉格朗日中值定理的等式:ln(1+x)=\frac{x}{1+\xi},\xi\in [0,x]

      • \xi代入端点值,原题可证。

例题【2022年 数一 4题】

高数笔记02:导数、微分、中值定理_第12张图片

证明题目类型3,中值定理证明

  • 构造辅助函数,通过证明辅助函数的中值定理来间接证明原函数的中值定理;
  • 采用反证法,假设结论不成立,然后推出矛盾,从而证明结论成立;
  • 利用函数的单调性、凸凹性、极值等性质,结合中值定理的条件进行证明;
  • 将原函数进行泰勒展开,利用展开式中的多项式性质,结合中值定理的条件进行证明。

例题【2013年 数三 10题】

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函数的应用

选填题目

选填题目类型1:计算渐近线

  • 水平渐近线:\lim_{x\to +\infty}f(x)=A,\lim_{x\to -\infty}f(x)=A
  • 铅直渐近线:\lim_{x\to x_0+}f(x)=\infty,\lim_{x\to x_0-}f(x)=\infty
  • 斜渐近线:\lim_{x\to +\infty}\frac{f(x)}{x}=a,\lim_{x\to -\infty}\frac{f(x)}{x}=a

例题【2023年 数一 1题】计算渐近线

高数笔记02:导数、微分、中值定理_第14张图片

选填题目类型2:导数的几何意义:切线方程、法线方程

  • 计算切线斜率与法线斜率,然后使用点斜式列直接方程:
    • 直角坐标:
      • 斜线斜率:f'(x_0)

      • 法线斜率:-\frac{1}{f'(x_0)}

    • 参数方程:
      • 切线斜率:\frac{dy/dt}{dx/dt}

    • 极坐标方程:和我一样傻傻不会求极坐标方程的小伙伴可以转参数方程
      • 转化方程:\begin{cases}x=f(\theta) cos(\theta) \\y=f(\theta) sin(\theta)\\\end{cases}

  • 计算弧长与曲率公式:

 解答题目

 解答题目类型1:计算驻点、拐点、最值点,证明不等式

  •  单调区间:

  • 极值:

高数笔记02:导数、微分、中值定理_第15张图片

  • 最值:

高数笔记02:导数、微分、中值定理_第16张图片高数笔记02:导数、微分、中值定理_第17张图片高数笔记02:导数、微分、中值定理_第18张图片

图源无忧文档: 导数应用之极值与最值 学案_word文档在线阅读与下载_无忧文档

  • 凹凸区间:

函数的凹凸性_360百科

 图源360:函数的凹凸性_360百科

 例题【2022年 数一 20题】证明不等式

高数笔记02:导数、微分、中值定理_第19张图片

这个题对我来说还是有难度的:根据题目条件写出F(x),求导,这个可能大部分小伙伴都想得到;抽象函数使用拉格朗日定理证明端点值<区间值,推出F’(x)<0,感觉这个就需要一点技巧性了~


结语

文末分享我在这篇博文中用到的宝藏网页——

  • 公示预览:在线LaTeX公式编辑器-编辑器 (latexlive.com)
  • 函数绘制:图形计算器 - GeoGebra
  • 封面生成:AI杂谈04 与Chat AI沟通代码与绘画的提词_梅头脑_的博客-CSDN博客

本系列的其它博文:

  •  高数笔记01:函数、极限、连续_梅头脑_的博客-CSDN博客

博文到此结束,写得模糊或者有误之处,欢迎小伙伴留言讨论与批评,督促博主优化内容{例如有错误、难理解、缺例题}等~‍️

博文若有帮助,欢迎小伙伴动动可爱的小手默默给个赞支持一下,博主肝文的动力++~

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