导数

  • 定义
    • 设函数 y=f(x)y=f(x) 在点 x0x_0 的某邻域内有定义,当自变量在 x0x_0 处取得增量 Δx\Delta x 时,函数取得相应的增量 Δy=f(x0+Δx)−f(x0)\Delta y=f(x_0+\Delta x)-f(x_0),如果极限 lim⁡Δx→0ΔyΔx=lim⁡Δx→0f(x0+Δx)−f(x0)Δx\lim\limits_{\Delta x\to 0}\frac{\Delta y}{\Delta x}=\lim\limits_{\Delta x\to 0}\frac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x} 存在,则称 f(x)f(x) 在 x0x_0 处可导,且称此极限值为 f(x0)f(x_0) 在点 x0x_0 处的导数,记作 f′(x0)f'(x_0),或 y′∣x=x0,dydx∣x=x0,dfdx∣x=x0y'\Big|_{x=x_0},\frac{\mathrm dy}{\mathrm dx}\Big|_{x=x_0},\frac{\mathrm df}{\mathrm dx}\Big|_{x=x_0}。
    • f′(x0)f'(x_0) 也可以写成 lim⁡x→x0f(x)−f(x0)x−x0\lim\limits_{x\to x_0}\frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}。
    • 如果以上极限不存在,则 f(x)f(x) 在 x0x_0 不可导。
    • 与极限类似,可以定义左导数 f−′(x0)f'_-(x_0) 和右导数 f+′(x0)f'_+(x_0)。
    • f(x)f(x) 在 x0x_0 可导的充要条件是 f−′(x0)f'_-(x_0) 和 f+′(x0)f'_+(x_0) 都存在且 f−′(x0)=f+′(x0)f'_-(x_0)=f'_+(x_0)。
    • 如果 f(x)f(x) 在 (a,b)(a,b) 上的每一点都可导,则 f(x)f(x) 在 (a,b)(a,b) 上可导。
    • 如果 f(x)f(x) 在 (a,b)(a,b) 上的每一点都可导,在 aa 右可导,在 bb 左可导,则 f(x)f(x) 在 [a,b][a,b] 上可导。
  • 性质
    • 与连续性的关系
      • 如果 f(x)f(x) 在 x0x_0 处可导,则 f(x)f(x) 在 x0x_0 处连续。
        • 逆命题不一定成立。
        • 如果 f(x)f(x) 在 x0x_0 处不连续,则 f(x)f(x) 在 x0x_0 处不可导。
  • 求解
    • 定义
      • 利用导数的定义 f′(x)=lim⁡Δx→0ΔyΔx=lim⁡Δx→0f(x0+Δx)−f(x0)Δxf'(x)=\lim\limits_{\Delta x\to 0}\frac{\Delta y}{\Delta x}=\lim\limits_{\Delta x\to 0}\frac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x} 求解。
      • 这种方法是最基本的方法,但使用较为麻烦。
      • 对于分段函数的分段点求导要使用定义求解。
        • 如已知 f(x)={x2sin⁡1x,x≠00,x=0f(x)=\left\{\begin{matrix} x^2\sin \frac{1}{x}, & x\ne 0\\ 0, & x = 0\end{matrix}\right.,求 f′(0)f'(0) 需要使用定义的方法,而不能对 x2sin⁡1xx^2\sin \frac{1}{x} 求导。
    • 导数公式
      • C′=0C'=0
      • (xα)′=αxα−1(x^\alpha)'=\alpha x^{\alpha-1}
      • (ax)′=axln⁡a,(ex)′=ex(a^x)'=a^x\ln a,(e^x)'=e^x
      • (log⁡ax)′=xa,(ln⁡x)′=1x(\log_a x)'=\frac{x}{a},(\ln x)'=\frac{1}{x}
      • (sin⁡x)′=cos⁡x,(cos⁡x)′=−sin⁡x,(tan⁡x)′=1cos⁡2x=sec⁡2x(\sin x)'=\cos x,(\cos x)'=-\sin x,(\tan x)'=\frac{1}{\cos^2 x}=\sec^2 x
      • (sec⁡x)′=sin⁡xcos⁡2x=sec⁡xtan⁡x,(csc⁡x)′=−cos⁡xsin⁡2x=−csc⁡xcot⁡x,(cot⁡x)′=−1sin⁡2x=−csc⁡2x(\sec x)'=\frac{\sin x}{\cos^2 x}=\sec x\tan x,(\csc x)'=-\frac{\cos x}{\sin^2 x}=-\csc x\cot x,(\cot x)'=-\frac{1}{\sin^2 x}=-\csc^2 x
      • (arcsin⁡x)′=11−x2,(arccos⁡x)′=−11−x2,(arctan⁡x)′=11+x2,(arccot⁡x)′=−11+x2(\arcsin x)'=\frac{1}{\sqrt{1-x^2}},(\arccos x)'=-\frac{1}{\sqrt{1-x^2}},(\arctan x)'=\frac{1}{1+x^2},(\operatorname{arccot}x)'=-\frac{1}{1+x^2}
      • (sinh⁡x)′=cosh⁡x,(cosh⁡x)′=sinh⁡x(\sinh x)'=\cosh x, (\cosh x)'=\sinh x
      • (arsinh⁡x)′=1x2+1,(arcosh⁡x)′=1x2−1(\operatorname{arsinh}x)'=\frac{1}{x^2+1},(\operatorname{arcosh}x)'=\frac{1}{x^2-1}
      • 对于某一个点 x0x_0 求导,应用求导公式时,需要注意在某个 U(x0)U(x_0) 中,该求导公式对应的原函数有定义。无定义指代入值没有意义或者分段函数中该区间的表达式不同。
    • 求导法则
      • 如果 u=u(x),v=v(x)u=u(x),v=v(x) 在 xx 处可导,则
        • (u(x)±v(x))′=u′(x)±v′(x)(u(x)\pm v(x))'=u'(x)\pm v'(x)
        • (Cu(x))′=Cu′(x)(Cu(x))'=Cu'(x)
        • (u(x)v(x))′=u′(x)v(x)+u(x)v′(x)(u(x)v(x))'=u'(x)v(x)+u(x)v'(x)
        • (u(x)v(x))′=u′(x)v(x)−u(x)v′(x)(v(x))2(v(x)≠0)\left(\frac{u(x)}{v(x)}\right)'=\frac{u'(x)v(x)-u(x)v'(x)}{(v(x))^2}(v(x)\ne 0)
      • 如果 f(x)f(x) 在区间 II 上单调可导,且 f′(x)≠0f'(x)\ne 0,则 f−1(x)f^{-1}(x) 也可导,且
        • (f−1(x))′=1f′(f−1(x))\left(f^{-1}(x)\right)'=\frac{1}{f'(f^{-1}(x))}
      • 如果 u=g(x)u=g(x) 在 xx 可导,y=f(u)y=f(u) 在 u=g(x)u=g(x) 可导,则 y=f(g(x))y=f(g(x)) 可导,且
        • (f(g(x)))′=f′(u)g′(x)\left(f\left(g(x)\right)\right)'=f'(u)g'(x)
        • 即 dydx=dydu⋅dudx\frac{\mathrm dy}{\mathrm dx}=\frac{\mathrm dy}{\mathrm du}\cdot\frac{\mathrm du}{\mathrm dx}
    • 隐函数
      • 对方程 F(x,y)=0F(x,y)=0 确定的函数,只需要把 yy 看作函数 y(x)y(x),然后对等号两边求导,最后整理表达式。
    • 参数方程
      • 已知 {x=φ(t)y=ψ(t)\left\{\begin{matrix} x=\varphi(t) \\ y=\psi(t) \end{matrix}\right.,则 dydx=dydtdxdt=ψ′(t)φ′(t)\frac{\mathrm dy}{\mathrm dx}=\frac{\frac{\mathrm dy}{\mathrm dt}}{\frac{\mathrm dx}{\mathrm dt}}=\frac{\psi '(t)}{\varphi '(t)}
      • 如果 x,yx,y 与 tt 的关系是隐函数,则可以使用隐函数求导的方法解出 dxdt,dydt\frac{\mathrm dx}{\mathrm dt},\frac{\mathrm dy}{\mathrm dt},写成 dydx\frac{\mathrm dy}{\mathrm dx} 后再联立 φ(t,x)=0,ψ(t,y)=0\varphi(t,x)=0,\psi(t,y)=0,一起写出即可表达导函数。
    • 极坐标
      • 极坐标方程一般为 ρ=ρ(θ)\rho=\rho(\theta),利用 {x=ρ(θ)cos⁡θy=ρ(θ)sin⁡θ\left\{\begin{matrix} x=\rho(\theta)\cos\theta \\ y=\rho(\theta)\sin\theta \end{matrix}\right. 转化为参数方程,然后求导。
      • 也可以利用 ρ=x2+y2,θ=arctan⁡yx\rho=\sqrt{x^2+y^2},\theta=\arctan\frac{y}{x} 转化为直角坐标方程。
    • 对数求导法
      • 对于幂指函数 y=u(x)v(x)y=u(x)^{v(x)},可以先取对数,利用隐函数求导,再代入函数表达式求解。
        • y′=u(x)v(x)(v(x)ln⁡u(x)+v(x)u′(x)u(x))y'=u(x)^{v(x)}\left(v(x)\ln u(x)+v(x)\frac{u'(x)}{u(x)}\right)
      • 对于大量因式组成的只有一个项的函数,也可以使用对数求导法简化运算。
  • 高阶导数
    • 定义
      • 如果 f(x)f(x) 的导数 f′(x)f'(x) 可导,则称其为 f(x)f(x) 的二阶导数,记作 y′′,f′′(x),d2ydx2,d2fdx2y'',f''(x),\frac{\mathrm d^2y}{\mathrm dx^2},\frac{\mathrm d^2f}{\mathrm dx^2}。
      • 如果 f′(x)f'(x) 的导数 f′′(x)f''(x) 仍可导,则称其为 f(x)f(x) 的三阶导数,记作 y′′′,f′′′(x),d3ydx3,d3fdx3y''',f'''(x),\frac{\mathrm d^3y}{\mathrm dx^3},\frac{\mathrm d^3f}{\mathrm dx^3}。
      • 如果 f′(x)f'(x) 的 n−1n-1 阶导数可导,则称其为 f(x)f(x) 的 nn 阶导数,记作 y(n),f(n)(x),dnydxn,dnfdxny^{(n)},f^{(n)}(x),\frac{\mathrm d^ny}{\mathrm dx^n},\frac{\mathrm d^nf}{\mathrm dx^n}。
      • dnydxn=ddx(dn−1ydxn−1)\frac{\mathrm d^ny}{\mathrm dx^n}=\frac{\mathrm d}{\mathrm dx}\left(\frac{\mathrm d^{n-1}y}{\mathrm dx^{n-1}}\right)。
      • 特别定义 f(0)(x)f^{(0)}(x) 为 f(x)f(x)。
      • 高阶导数从四阶开始使用 y(n)y^{(n)} 的形式。
    • 公式
      • (xm)(n)=Amnxm−n={m(m−1)(m−2)⋯(m−n+1)xm−n,m>nm!,m=n0,m<n(m∈N∗)(x^m)^{(n)}=A_{m}^{n}x^{m-n}=\left\{\begin{matrix} m(m-1)(m-2)\cdots(m-n+1)x^{m-n}, & m > n\\ m!, & m=n\\ 0, & m < n\end{matrix}\right.(m\in \mathrm N^{*})
      • (xα)(n)=α(α−1)(α−2)⋯(α−n+1)xα−n(α∉N∗)(x^\alpha)^{(n)}=\alpha(\alpha-1)(\alpha-2)\cdots(\alpha-n+1)x^{\alpha-n}(\alpha\notin\mathrm N^{*})
      • (1ax+b)(n)=(−1)nann!(ax+b)n+1\left(\frac{1}{ax+b}\right)^{(n)}=(-1)^n\frac{a^nn!}{(ax+b)^{n+1}}
      • (ax)(n)=axln⁡na,(eax)(n)=anex\left(a^{x}\right)^{(n)}=a^x \ln^n a,\left(e^{ax}\right)^{(n)}=a^n e^x
      • (ln⁡x)(n)=(1x)(n−1)=(−1)n−1(n−1)!xn(\ln x)^{(n)}=\left(\frac{1}{x}\right)^{(n-1)}=(-1)^{n-1}\frac{(n-1)!}{x^n}
      • (sin⁡x)(n)=sin⁡(x+nπ2),(cos⁡x)(n)=cos⁡(x+nπ2)(\sin x)^{(n)}=\sin\left(x+\frac{n\pi}{2}\right),(\cos x)^{(n)}=\cos\left(x+\frac{n\pi}{2}\right)
      • (uv)(n)=∑k=0nCnku(n−k)v(k)(uv)^{(n)}=\sum\limits_{k=0}^{n}C_{n}^{k}u^{(n-k)}v^{(k)}
  • 应用
    • 微分中值定理
    • 研究函数单调性、极值、最值
      • 单调的充分条件
        • 设函数 f(x)f(x) 在 [a,b][a,b] 上连续,在 (a,b)(a,b) 内可导:
          • 如果在 (a,b)(a,b) 内,f′(x)>0f'(x)>0,则 f(x)f(x) 在 [a,b][a,b] 上单调递增;
          • 如果在 (a,b)(a,b) 内,f′(x)<0f'(x)<0,则 f(x)f(x) 在 [a,b][a,b] 上单调递减。
      • 单调的必要条件
        • 设函数 f(x)f(x) 在 [a,b][a,b] 上连续,在 (a,b)(a,b) 内可导:
          • 如果 f(x)f(x) 在 [a,b][a,b] 上单调递增,则在 (a,b)(a,b) 内 f′(x)≥0f'(x)\ge 0;
          • 如果 f(x)f(x) 在 [a,b][a,b] 上单调递减,则在 (a,b)(a,b) 内 f′(x)≤0f'(x)\le 0;
      • 费马定理
        • 如果函数 f(x)f(x) 在点 x0x_0 处可导,且在 x0x_0 处取得极值,则 f′(x0)=0f'(x_0)=0,x0x_0 被称为驻点。
        • 极值点一定是驻点或不可导点,反过来不一定成立。
      • 极值的第一充分条件
        • 设函数 f(x)f(x) 在点 x0x_0 处连续,在 U˚(x0,δ)\mathring U(x_0,\delta) 内可导,且 x0x_0 是 f(x)f(x) 的驻点或不可导点:
          • 如果当 x∈(x0−δ,x0)x\in(x_0-\delta,x_0) 时,f′(x)>0f'(x)>0,当 x∈(x0,x0+δ)x\in(x_0,x_0+\delta) 时,f′(x)<0f'(x)<0,则 f(x)f(x) 在 x0x_0 处取得极大值;
          • 如果当 x∈(x0−δ,x0)x\in(x_0-\delta,x_0) 时,f′(x)<0f'(x)<0,当 x∈(x0,x0+δ)x\in(x_0,x_0+\delta) 时,f′(x)>0f'(x)>0,则 f(x)f(x) 在 x0x_0 处取得极小值;
          • 如果当 x∈U˚(x0,δ)x\in\mathring U(x_0,\delta) 时,f′(x)>0f'(x)>0 或 f′(x)<0f'(x)<0,则 f(x)f(x) 在 x0x_0 处不取得极值。
      • 极值的第二充分条件
        • 设函数 f(x)f(x) 在点 x0x_0 处有二阶导数,且 f′(x0)=0,f′′(x0)≠0f'(x_0)=0,f''(x_0)\ne 0,则:
          • 当 f′′(x0)<0f''(x_0)<0 时,f(x)f(x) 在 x0x_0 处取得极大值;
          • 当 f′′(x0)>0f''(x_0)>0 时,f(x)f(x) 在 x0x_0 处取得极小值。
      • 最值求解
        • 设 f(x)f(x) 在区间 [a,b][a,b] 上连续,则最大值为区间端点值与区间内所有极大值的最大值,最小值为区间端点值与区间内所有极小值的最小值。
    • 研究函数凹凸性
      • 定义
        • 设函数 y=f(x)y=f(x) 在 (a,b)(a,b) 内可导:
          • 若对 ∀x1,x2∈(a,b)(x1≠x2)\forall x_1,x_2\in(a,b)(x_1\ne x_2),恒有 f(x1+x22)<f(x1)+f(x2)2f(\frac{x_1+x_2}{2})<\frac{f(x_1)+f(x_2)}{2},则 f(x)f(x) 在 (a,b)(a,b) 上是凹弧;
          • 若对 ∀x1,x2∈(a,b)(x1≠x2)\forall x_1,x_2\in(a,b)(x_1\ne x_2),恒有 f(x1+x22)>f(x1)+f(x2)2f(\frac{x_1+x_2}{2})>\frac{f(x_1)+f(x_2)}{2},则 f(x)f(x) 在 (a,b)(a,b) 上是凸弧。
        • 等价定义:设函数 f(x)f(x) 在区间 (a,b)(a,b) 内可导:
          • 若曲线 y=f(x)y=f(x) 位于每一点切线的上方,即对于任意 x0∈(a,b)x_0\in(a,b),都有 f(x)>f(x0)+f(x0)(x−x0) (x∈(a,b),x≠x0)f(x)> f(x_0)+f(x_0)(x-x_0)\ (x\in(a,b),x\ne x_0),则称在 (a,b)(a,b) 内曲线 f(x)f(x) 是凹弧;
          • 若曲线 y=f(x)y=f(x) 位于每一点切线的下方,即对于任意 x0∈(a,b)x_0\in(a,b),都有 f(x)<f(x0)+f(x0)(x−x0) (x∈(a,b),x≠x0)f(x)<f(x_0)+f(x_0)(x-x_0)\ (x\in(a,b),x\ne x_0),则称在 (a,b)(a,b) 内曲线 f(x)f(x) 是凸弧;
      • 凹凸性的充分条件
        • 设函数 f(x)f(x) 在 (a,b)(a,b) 内有二阶导数:
          • 如果在 (a,b)(a,b) 内 f′′(x)>0f''(x)>0,则在 (a,b)(a,b) 内曲线 y=f(x)y=f(x) 是凹弧;
          • 如果在 (a,b)(a,b) 内 f′′(x)<0f''(x)<0,则在 (a,b)(a,b) 内曲线 y=f(x)y=f(x) 是凸弧;
        • 如果曲线 y=f(x)y=f(x) 在点 (x0,f(x0))(x_0,f(x_0)) 连续,并且 (x0,f(x0))(x_0,f(x_0)) 是曲线的凹弧与凸弧的分界点,则称 (x0,f(x0))(x_0,f(x_0)) 为曲线 y=f(x)y=f(x) 的拐点。
        • 凹凸性相当于导数的单调性,拐点相当于导数的极值点。
      • 性质
        • 凹凸性定义中 f(x1+x22)<f(x1)+f(x2)2f(\frac{x_1+x_2}{2})<\frac{f(x_1)+f(x_2)}{2} 可以进一步改为 f(λx1+(1−λ)x2)<λf(x1)+(1−λ)f(x2) (0<λ<1)f(\lambda x_1+(1-\lambda)x_2)<\lambda f(x_1)+(1-\lambda)f(x_2)\ (0<\lambda<1)。
      • 应用
        • 凹凸性定义可以用于证明不等式。
        • 先观察不等式,构造出符合不等式结构的函数,再研究函数的凹凸性,得出相应的关系,完成证明。
        • 如 xex+yey>(x+y)ex+y2xe^x+ye^y>(x+y)e^{\frac{x+y}{2}}:
          • 构造 f(x)=xexf(x)=xe^x,则要证 f(x)+f(y)>2f(x+y2)f(x)+f(y)>2f(\frac{x+y}{2});
          • 得出 f′′(x)>0f''(x)>0;
          • 证明完毕。
      • 曲率