导数运算法则
导数的运算法则是计算复杂函数导数的重要工具。掌握这些法则,能够将复杂函数的求导问题分解为简单函数的求导问题。
和差法则
乘积法则
商法则
链式法则
练习题
练习 1
求函数 f(x)=x3+2x2−5x+1 的导数。
参考答案
解题思路:
使用和差法则和幂函数导数公式。
详细步骤:
-
应用和差法则:
f′(x)=(x3)′+(2x2)′−(5x)′+(1)′
-
计算各项导数:
(x3)′=3x2
(2x2)′=2⋅2x=4x
(5x)′=5
(1)′=0
-
合并结果:
f′(x)=3x2+4x−5
答案:f′(x)=3x2+4x−5
练习 2
求函数 f(x)=x2sinx 的导数。
参考答案
解题思路:
使用乘积法则。
详细步骤:
-
设 u=x2,v=sinx
-
计算 u′ 和 v′:
u′=2x
v′=cosx
-
应用乘积法则:
f′(x)=u′v+uv′=2x⋅sinx+x2⋅cosx
-
整理结果:
f′(x)=2xsinx+x2cosx
答案:f′(x)=2xsinx+x2cosx
练习 3
求函数 f(x)=x−1x2+1 的导数。
参考答案
解题思路:
使用商法则。
详细步骤:
-
设 u=x2+1,v=x−1
-
计算 u′ 和 v′:
u′=2x
v′=1
-
应用商法则:
f′(x)=v2u′v−uv′=(x−1)22x(x−1)−(x2+1)(1)
-
展开计算:
=(x−1)22x2−2x−x2−1=(x−1)2x2−2x−1
答案:f′(x)=(x−1)2x2−2x−1
练习 4
求函数 f(x)=sin(x2+1) 的导数。
参考答案
解题思路:
使用链式法则。
详细步骤:
-
设 u=x2+1,则 f(x)=sinu
-
计算各层导数:
dudf=cosu=cos(x2+1)
dxdu=2x
-
应用链式法则:
f′(x)=dudf⋅dxdu=cos(x2+1)⋅2x
-
整理结果:
f′(x)=2xcos(x2+1)
答案:f′(x)=2xcos(x2+1)
练习 5
改编自2022考研数学一第1题
设 x→1limlnxf(x)=1,求 f′(1) 的值。
参考答案
解题思路:
利用等价无穷小的性质和链式法则。
详细步骤:
-
由 x→1limlnxf(x)=1,可得 f(x)∼lnx 当 x→1
-
当 x→1 时,lnx→0,所以 x→1limf(x)=0
-
设 g(x)=lnxf(x),则 f(x)=g(x)lnx
-
应用乘积法则:
f′(x)=g′(x)lnx+g(x)⋅x1
-
当 x→1 时,lnx→0,x1→1,g(x)→1
-
因此 f′(1)=x→1limf′(x)=1
答案:f′(1)=1
练习 6
改编自2023考研数学一第3题
设函数 y=f(x) 由参数方程 {x=2t+∣t∣y=∣t∣sint 确定,求 f′(0)。
参考答案
解题思路:
使用参数方程求导公式和链式法则。
详细步骤:
-
当 t≥0 时,x=3t,y=tsint,所以 y=3xsin3x
-
当 t<0 时,x=t,y=−tsint,所以 y=−xsinx
-
因此 f(x)={3xsin3x,−xsinx,x≥0x<0
-
计算左导数:
f−′(0)=x→0−limx−xsinx−0=−x→0−limsinx=0
-
计算右导数:
f+′(0)=x→0+limx3xsin3x−0=x→0+lim3sin3x=0
-
由于左导数和右导数相等,所以 f′(0)=0
答案:f′(0)=0
练习 7
改编自2022考研数学一第2题
设 f(u) 可导,z=xyf(xy),求 ∂x∂z 和 ∂y∂z。
参考答案
解题思路:
使用偏导数的链式法则和乘积法则。
详细步骤:
-
设 u=xy,则 z=xyf(u)
-
对 x 求偏导:
∂x∂z=yf(u)+xyf′(u)⋅∂x∂u
=yf(u)+xyf′(u)⋅(−x2y)
=yf(xy)−y2f′(xy)x1
-
对 y 求偏导:
∂y∂z=xf(u)+xyf′(u)⋅∂y∂u
=xf(u)+xyf′(u)⋅x1
=xf(xy)+yf′(xy)
答案:
∂x∂z=yf(xy)−y2f′(xy)x1
∂y∂z=xf(xy)+yf′(xy)
练习 8
改编自2023考研数学一第17题
设曲线 y=y(x)(x>0) 经过点 (1,2),该曲线上任一点 P(x,y) 到 y 轴的距离等于该点处的切线在 y 轴上的截距。求 y(x)。
参考答案
解题思路:
利用切线方程和截距的概念建立微分方程。
详细步骤:
-
点 P(x,y) 到 y 轴的距离为 x
-
点 P(x,y) 处的切线方程为:
Y−y=y′(x)(X−x)
-
切线在 y 轴上的截距为:
当 X=0 时,Y=y−xy′(x)
-
根据题意:x=y−xy′(x)
-
整理得:y′(x)=xy−x
-
这是一个一阶线性微分方程:
y′(x)−x1y=−1
-
求解得:y(x)=x(2−lnx)
-
验证 y(1)=2,符合条件
答案:y(x)=x(2−lnx)
练习 9
改编自2024考研数学一第1题
已知函数 f(x)=∫0xecostdt,求 f′(x) 和 f′′(x)。
参考答案
解题思路:
使用积分上限函数求导公式和链式法则。
详细步骤:
-
根据积分上限函数求导公式:
f′(x)=ecosx
-
对 f′(x) 再次求导:
f′′(x)=dxd(ecosx)=ecosx⋅(−sinx)=−ecosxsinx
-
使用链式法则:
设 u=cosx,则 f′(x)=eu
dxd(eu)=eu⋅dxdu=ecosx⋅(−sinx)
答案:
f′(x)=ecosx
f′′(x)=−ecosxsinx
练习 10
改编自2025考研数学一第1题
已知函数 f(x)=∫0xet2sintdt,求 f′(x) 和 f′′(x)。
参考答案
解题思路:
使用积分上限函数求导公式和乘积法则。
详细步骤:
-
根据积分上限函数求导公式:
f′(x)=ex2sinx
-
对 f′(x) 再次求导,使用乘积法则:
设 u=ex2,v=sinx
u′=ex2⋅2x=2xex2
v′=cosx
-
应用乘积法则:
f′′(x)=u′v+uv′=2xex2⋅sinx+ex2⋅cosx
=2xex2sinx+ex2cosx
答案:
f′(x)=ex2sinx
f′′(x)=2xex2sinx+ex2cosx
总结
中英对照
| 中文术语 | 英文术语 | 音标 | 说明 |
|---|
| 乘积法则 | product rule | /ˈprɒdʌkt ruːl/ | 乘积函数的导数法则 |
| 商法则 | quotient rule | /ˈkwəʊʃənt ruːl/ | 商函数的导数法则 |
| 和差法则 | sum and difference rule | /sʌm ənd ˈdɪfərəns ruːl/ | 和差函数的导数法则 |
| 高阶导数 | higher-order derivative | /ˈhaɪə ˈɔːdə dɪˈrɪvətɪv/ | 函数的二阶及以上的导数 |
| 莱布尼茨公式 | Leibniz formula | /ˈlaɪbnɪts ˈfɔːmjələ/ | 求两个函数乘积的高阶导数的公式 |
1
函数是高等数学的核心概念,本系列文档系统介绍函数的基本概念、性质和应用。
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数列是高等数学的基石,本系列文档系统介绍数列的基本概念、性质、极限理论及其应用。
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