Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
раздел 3 конспекта лекций.pdf
Скачиваний:
122
Добавлен:
18.04.2015
Размер:
972 Кб
Скачать
☆

y′x = fu′ u′x .

при этом нижние индексы показывают, по какой переменной берется производная.

Доказательство

 

y′x

 

= lim

f (u)

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→0

x

 

 

 

 

 

 

 

u ≠ 0 ,

Умножим числитель и знаменатель дроби под знаком предела на приращение

получим

f (u)

 

 

 

 

 

f (u)

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

lim

u

.

 

y′x = lim

u

 

= lim

 

 

u

x

 

x→0

 

 

x

x→0

 

 

 

x→0

 

 

Так как функция u(x) дифференцируема точке

x ,

следовательно, она в этой точке

непрерывна. Поэтому приращение функции

u → 0 при

x → 0 . Переходя в первом

сомножителе от предела при x → 0 к пределу при

u → 0 , получим

 

y′x = lim

f (u) lim

u .

 

 

 

 

 

 

u

→0

u

x→0

x

 

 

 

 

 

Из дифференцируемости функций

f (u)

и u(x) следует, что оба предела существуют,

конечны и равны производным

по переменным

u

и

x

соответственно,

то есть

y′x = fu′ u′x .

ЗАМЕЧАНИЕ

Правило дифференцирования суперпозиции функций (сложной функции) следует понимать

так, что если требуется вычислить производную от функции

y =sin 2 x , то следует иметь в

виду, что вычисляется производная суперпозиции функций

y = u2 , где u = sin x . Тогда

следует вычислить производную yu′ = (u2 )′u = 2u и производную u′x = (sin x)′x = cos x . Далее по правилу дифференцирования сложной функции

y′ = 2u cos x = 2 sin x cos x .

Из доказанных теорем данного параграфа можно сформулировать следующие правила дифференцирования:

1.(c)′ = 0 .

2.(f (x)± g(x))′ = f ′(x)± g′(x).

3.(f (x) g(x))′ = f ′(x) g(x)+ f (x) g′(x).

4.(c f (x))′ = c f ′(x).

 

 

f (x)

′

f

′

′

 

 

 

(x) g(x)− f (x) g (x)

 

5.

 

 

 

=

 

 

 

 

.

 

 

 

g 2 (x)

 

g(x)

 

 

 

 

6.y′x = (f (u(x)))′x = fu′ u′x .

3.1.5.Производные основных элементарных функций

Используя теоремы предыдущего параграфа, можно получить формулы для вычисления производных основных элементарных функций.

10

Производная степенной функции

(xα )′ = αxα−1 .

 

 

Доказательство

 

 

 

 

 

 

y′ = (xα )′ = lim

y

=

lim

(x +

x)α − xα

.

x

 

 

x→0

 

x→0

x

В числителе дроби под знаком предела можно вынести за скобку, а затем и за знак

предела множитель xα , который не зависит от переменной

x . Тогда для производной

получим выражение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

 

xα

(1 +

 

x

)α −1

 

 

(1 +

x

)α

−1

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

y′ = (xα )

= lim

 

 

 

 

 

 

 

 

= xα

lim

 

 

 

x

 

.

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

x→0

 

 

 

 

 

 

 

 

x→0

 

 

Поскольку функция

x

 

является бесконечно малой при

 

x → 0 ,

то по таблице

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

эквивалентных бесконечно малых справедливо

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x α

−1

~

α

x

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 +

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

x→0

 

 

 

 

 

 

 

 

Заменяя под знаком предела бесконечно малую

 

x α

−1 на эквивалентную ей

1 +

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

бесконечно малую α

x

, получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y′ = (xα )′ = xα

 

α

x

 

 

= xα

α = α xα−1 .

 

 

 

lim

x

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

x→0

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

Производная экспоненциальной и показательной функций

 

 

 

 

 

 

 

(ex )′ = ex ; (a x )′ = a x ln a .

 

 

 

 

 

 

 

Доказательство

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y′ = (e x )′ =

lim

y

= lim

e x+

x − e x

.

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→0

 

 

 

x→0

 

x

 

 

 

 

 

 

 

В числителе дроби под знаком предела можно вынести за скобку, а затем и за знак

предела множитель ex , который не зависит от переменной

x . Тогда для производной

получим выражение

 

 

e x (e x −1)= ex lim

 

 

 

y′ = (ex )′ = lim

e x e x − ex

= lim

e

x −1

.

x

 

 

x→0

x→0

x

x→0

x

По таблице эквивалентных бесконечно

малых e

x −1 ~

x . Заменяя под знаком

 

 

 

 

x→0

 

 

 

 

предела бесконечно малую функцию e

x −1 на эквивалентную ей бесконечно малую

x , получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y′ = (ex )′

= ex lim

x = ex .

 

 

 

 

 

 

x→0

x

 

 

 

 

 

 

11

 

 

 

 

 

 

Для показательной функции с любым основанием a > 0 и a ≠ 1 производная вычисляется по правилу:

(a x )′ = a x ln a ,

поскольку по основному

логарифмическому тождеству a = eln a ,

то (a x )′ = (ex ln a )′.

Используя правило дифференцирования сложной функции, получим

 

(a x )′ = (ex ln a )′ = ex ln a (x ln a)′ = a x ln a .

 

Производная логарифмической функции

 

 

 

 

 

 

 

 

(ln x)′ =

1

;

(loga x)′ =

1

.

 

 

 

 

x ln a

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

Доказательство

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для функции y = ln x

определена обратная функция x = e y .

Используя правило

дифференцирования обратной функции, получим

 

 

 

 

 

(ln x) ′ =

1

=

1

 

= 1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

x

(e y )′y e y

 

x

 

 

Правило дифференцирования логарифмической функции с произвольным основанием

a > 0 и a ≠ 1 , можно вывести, используя свойства логарифма

loga x =

ln x

 

. Тогда

ln a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

 

ln x ′

1

 

 

 

′

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

′

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(loga x)

=

 

 

=

 

 

 

 

(ln x)

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

(loga x)

=

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

ln a

ln a

x

 

x ln a

 

 

 

 

 

 

 

 

ln a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Производные тригонометрических функций

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

 

 

 

′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

′

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

(sin x) = cos x;

 

(cos x)

= −sin x; (tg x)

=

 

 

 

;

 

(ctg x)

 

 

= −

 

.

 

 

 

 

cos2 x

 

 

sin 2 x

Доказательство

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По

определению

производной

 

y′ = (sin x)′ =

 

lim

y .

Представив

 

приращение

 

 

 

 

 

y = sin(x +

 

x)−sin x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→0

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

функции

 

 

по

формуле преобразования разности синусов в

произведение в виде

 

y = 2 sin

 

 

x

cos(x +

 

x

), получим следующее выражение для

 

 

2

 

2

производной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos(x +

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

 

 

 

 

2sin

 

x

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(sin x)

=

 

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Используя

таблицу

эквивалентных

 

бесконечно

 

 

 

 

малых

функций,

по которой

sin

x

 

~

 

x

, заменим под знаком предела бесконечно малую sin

 

 

 

x

на бесконечно

2

 

x→0

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

малую

x

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos(x +

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(sin x)′ =

 

 

2

x

x

=

 

lim cos(x +

x

).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→0

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из непрерывности функции cos x следует, что

lim cos(x +

x

)= cos x . Значит,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→0

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(sin x)′ = cos x .

Чтобы доказать, что

(cos x)′ = −sin x , представим cos x = sin(

π

− x) по формуле

 

 

2

 

приведения, а затем вычислим производную полученной функции, используя правило дифференцирования сложной функции.

(cos x)′ = (sin(π2 − x))′x = cos(π2 − x) (π2 − x)′x = cos(π2 − x) (−1)= −sin x .

Теперь вычислим производную для функции y = tg x . Поскольку tg x = cossin xx , то можно использовать правило дифференцирования частного двух функций.

 

 

 

 

 

 

 

 

′

sin x

′

 

 

 

(sin x)′ cos x −sin x

(cos x)′

 

 

 

 

 

(tg x)

=

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos2 x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

cos x cos x −sin x (−sin x)

=

 

cos2

x +sin 2 x

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos2 x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos

2 x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Используя основное тригонометрическое тождество sin2 x +cos2 x =1, получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(tg x)′ =

 

 

1

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos 2

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выражение для производной функции y = ctg x

 

можно получить,

используя основное

тригонометрическое

тождество

tg x ctg x =1 и

выразив

из

него

функцию

ctg x по

формуле

ctg x =

1

 

= (tg x)−1 .

 

 

 

 

Теперь

 

 

 

 

можно

 

 

 

 

использовать

правило

tg x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дифференцирования сложной функции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(ctg x)′ = ((tg x)−1 )′

= −1 (tg x)−2 (tg x)′ =

 

 

 

 

 

 

 

= −(tg x)−2

 

1

 

 

 

= −

 

cos2 x

 

 

 

 

1

 

 

 

= −

 

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos2

x

sin 2 x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos2 x

 

 

 

 

sin 2 x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Производные обратных тригонометрических функций

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(arcsin x)′ =

 

 

 

 

1

 

 

 

;

(arccos x)′ = −

 

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 − x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 − x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(arctg x)

=

 

 

 

 

 

;

 

 

(arc ctg x)

 

= −

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 + x2

 

 

 

 

 

1 + x2

 

 

 

 

 

 

Доказательство

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x [−1; 1]

 

 

Функция

y = arcsin x

определена

 

 

на

промежутке

 

 

и ее

значения

принадлежат

промежутку

y [−

π

;

π

].

Обратная

функция

x = sin y

определена на

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

промежутке

y [−

π

;

π

]. По правилу дифференцирования обратной функции,

вычислим

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

производную для функции y = arcsin x .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(arcsin x)′ = y′x

=

 

 

1

=

 

 

 

 

1

 

 

 

=

1

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x′y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(sin y)′y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13