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【格物致知·代数】5-2-06函数的和、差、积、商的导数『微积分初步』

作者:山嵓发布时间:2024-09-21

【阅前提示】我在原有“数理化自学丛书”系列17册的基础上又添加了1册八五人教甲种本《微积分初步》,原因有二:一则,我是双鱼座,有一定程度的偶双症,但“自学丛书”系列中代数4册、几何5册实在令我刺挠,因此就需要加入一本代数,使两边能够对偶平衡;二则,我认为《微积分初步》这本书对“准大学生”很重要,以我的惨痛教训为例,大一高数第一堂课,我是直接蒙圈,学了个寂寞。另外大学物理的前置条件是必须有基础微积分知识,因此我所读院校的大学物理课是推迟开课;而比较生猛的大学则是直接开课,然后在绪论课中猛灌基础高数(例如田光善舒幼生老师的力学课)。我选择在“自学丛书”17本的基础上添加这本《微积分初步》,就是希望小伙伴升大学前可以看看,不至于像我当年那样被高数打了个措手不及。

第二章导数和微分——二、求导方法 

§2-6函数的和、差、积、商的导数

【01】相应于函数极限的四侧运算法则,我们根据导数的定义来导出求导数的四则运算法则,以简化求导数的计算。在下面的公式中,u 及 v 都是 x 的函数,而且都是可导的。

1、和(或差)的导数

法则1.两个函数的和(或差)的导数,等于这两个函数的导数的和(或差)。

【证明】

%5Cscriptsize%5Cbegin%7Baligned%7D%0Ay%26%3Df(x)%3Du(x)%5Cpm%20v(x)%2C%20%5C%5C%0A%5CDelta%20y%26%3D%5Cleft%5Bu(x%2B%5CDelta%20x)%5Cpm%20v(x%2B%5CDelta%20x)%5Cright%5D-%5Cleft%5Bu(x)%5Cpm%20v(x)%5Cright%5D%20%5C%5C%0A%26%3D%5Bu(x%2B%5CDelta%20x)-u(x)%5D%5Cpm%5Bv(x%2B%5CDelta%20x)-v(x)%5D%20%5C%5C%0A%26%3D%5CDelta%20u%5Cpm%5CDelta%20v%2C%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7B%5CDelta%20y%7D%7B%5CDelta%20x%7D%26%3D%20%5Cfrac%7B%5CDelta%20u%7D%7B%5CDelta%20x%7D%5Cpm%5Cfrac%7B%5CDelta%20v%7D%7B%5CDelta%20x%7D%2C%20%5C%5C%0A%5Clim_%7B%5CDelta%20x%5Cto0%7D%5Cfrac%7B%5CDelta%20y%7D%7B%5CDelta%20x%7D%26%3D%5Coperatorname*%7Blim%7D_%7B%5CDelta%20x%5Cto0%7D%5Cbiggl(%5Cfrac%7B%5CDelta%20u%7D%7B%5CDelta%20x%7D%5Cpm%5Cfrac%7B%5CDelta%20v%7D%7B%5CDelta%20x%7D%5Cbiggr)%3D%5Coperatorname*%7Blim%7D_%7B%5CDelta%20x%5Cto0%7D%5Cfrac%7B%5CDelta%20u%7D%7B%5CDelta%20x%7D%5Cpm%5Coperatorname*%7Blim%7D_%7B%5CDelta%20x%5Cto0%7D%5Cfrac%7B%5CDelta%20v%7D%7B%5CDelta%20x%7D%2C%20%0A%5Cend%7Baligned%7D

即 y'=(u±v)'=u'±v'  。

【02这个法则可以推广到任意有限个函数,

【03即 %5Csmall(u_1%5Cpm%20u_2%5Cpm%5Ccdots%5Cpm%20u_n)%5E%7B%5Cprime%7D%3Du_1%5E%7B%5Cprime%7D%5Cpm%20u_2%5E%7B%5Cprime%7D%5Cpm%5Ccdots%5Cpm%20u_n%5E%7B%5Cprime%7D  。

例1.求 y=x³+sinx 的导数。

【解】y'=(x³)'+(sinx)'=3x²+cosx  。

例2.求 y=x⁴-x²-x+3 的导数。

【解】y'=4x³-2x-1  。

2、积的导数

法则2.两个函数的积的导数,等于第一个函数的导数乘以第二个函数,加上第一个函数乘以第二个函数的导数。

【证明】

%5Cscriptsize%5Cbegin%7Baligned%7Dy%26%3Df(x)%3Du(x)v(x)%2C%5C%5C%5CDelta%20y%26%3Du(x%2B%5CDelta%20x)v(x%2B%5CDelta%20x)-u(x)v(x)%5C%5C%26%3Du(x%2B%5CDelta%20x)v(x%2B%5CDelta%20x)-u(x)v(x%2B%5CDelta%20x)%2Bu(x)v(x%2B%5CDelta%20x)-u(x)v(x)%5C%5C%5Cfrac%7B%5CDelta%20y%7D%7B%5CDelta%20x%7D%26%3D%5Cfrac%7Bu(x%2B%5CDelta%20x)-u(x)%7D%7B%5CDelta%20x%7Dv(x%2B%5CDelta%20x)%2Bu(x)%20%5Cfrac%7Bv(x%2B%5CDelta%20x)-v(x)%7D%7B%5CDelta%20x%7D%5Cend%7Baligned%7D

因为 f(x) 在点 x 处可导,所以它在点 x 处连续,于是当 △x→0 时,v(x+△x)→v(x)  。从而

%5Cscriptsize%5Cbegin%7Baligned%7D%0A%5Clim_%7B%5CDelta%20x%5Cto0%7D%5Cfrac%7B%5CDelta%20y%7D%7B%5CDelta%20x%7D%26%20%3D%5Coperatorname*%7Blim%7D_%7B%5CDelta%20x%5Cto0%7D%5Cfrac%7Bu(x%2B%5CDelta%20x)-u(x)%7D%7B%5CDelta%20x%7Dv(x%2B%5CDelta%20x)%20%2Bu(x)%5Clim_%7B%5CDelta%20x%5Cto0%7D%5Cfrac%7Bv(x%2B%5CDelta%20x)-v(x)%7D%7B%5CDelta%20x%7D%20%3Du%5E%7B%5Cprime%7Dv%2Buv%5E%7B%5Cprime%7D%0A%5Cend%7Baligned%7D

即 y'=(uv)'=u'v+uv'  。

【04从法则2立即可以得出 (Cu)'=C'u+Cu'=0+Cu'=Cu',也就是,常数与函数的积的导数,等于常数乘以函数的导数,即

例3.求 y=2x³-3x²+5x-4 的导数。

【解】y'=6x²-6x+5  。

例4.求 y=(2x²+3)(3x-2) 的导数。

【解】y'=(2x²+3)'(3x-2)+(2x²+3)(3x-2)'=4x·(3x-2)+(2x²+3)·3=18x²-8x+9  。

3、商的导数

法则3.两个函数的商的导数,等于分子的导数与分母的积,减去分母的导数与分子的积,再除以分母的平方。

【证明】

%5Cscriptsize%5Cbegin%7Baligned%7D%0A%20y%26%3Df(x)%3D%5Cfrac%7Bu(x)%7D%7Bv(x)%7D%2C%20%5C%5C%0A%5CDelta%20y%26%3D%20%5Cfrac%7Bu(x%2B%5CDelta%20x)%7D%7Bv(x%2B%5CDelta%20x)%7D-%5Cfrac%7Bu(x)%7D%7Bv(x)%7D%20%5C%5C%0A%26%20%3D%7B%5Cfrac%7Bu(x%2B%5CDelta%20x)v(x)-u(x)v(x%2B%5CDelta%20x)%7D%7Bv(x%2B%5CDelta%20x)v(x)%7D%7D%20%5C%5C%0A%26%20%3D%5Cfrac%7B%5Cleft%5Bu(x%2B%5CDelta%20x)v(x)-u(x)v(x)%5Cright%5D-%5Cleft%5Bu(x)v(x%2B%5CDelta%20x)-u(x)v(x)%5Cright%5D%7D%7Bv(x%2B%5CDelta%20x)v(x)%7D%20%5C%5C%0A%26%3D%5Cfrac%7B%5Bu(x%2B%5CDelta%20x)-u(x)%5Dv(x)-u(x)%5Bv(x%2B%5CDelta%20x)-v(x)%5D%7D%7Bv(x%2B%5CDelta%20x)v(x)%7D.%20%5C%5C%0A%5Cfrac%7B%5CDelta%20y%7D%7B%5CDelta%20x%7D%26%20%3D%5Cfrac%7B%5Cfrac%7Bu(x%2B%5CDelta%20x)-u(x)%7D%7B%5CDelta%20x%7Dv(x)-u(x)%5Cfrac%7Bv(x%2B%5CDelta%20x)-v(x)%7D%7B%5CDelta%20x%7D%7D%7Bv(x%2B%5CDelta%20x)v(x)%7D.%20%0A%5Cend%7Baligned%7D

因为 v(x) 在点 x 处可导,所以它在点 x 处连续,于是当 △x→0 时,v(x+△x)→v(x)  。从而

%5Cscriptsize%5Clim_%7B%5CDelta%20x%5Cto0%7D%5Cfrac%7B%5CDelta%20y%7D%7B%5CDelta%20x%7D%3D%5Cfrac%7Bu%5E%7B%5Cprime%7D(x)v(x)-u(x)v%5E%7B%5Cprime%7D(x)%7D%7B%5Cleft%5Bv(x)%5Cright%5D%5E%7B2%7D%7D

即 y'=(u/v)'=(u'v-uv')/v²  。

例5.求 y=x²/sinx 的导数。

%5Cscriptsize%20y%5E%7B'%7D%3D%5Cfrac%7B(x%5E%7B2%7D)%5E%7B%5Cprime%7D%5Ccdot%5Csin%20x-x%5E%7B2%7D%5Ccdot(%5Csin%20x)%5E%7B%5Cprime%7D%7D%7B%5Csin%5E%7B2%7Dx%7D%3D%5Cfrac%7B2x%5Csin%20x-x%5E%7B2%7D%5Ccos%20x%7D%7B%5Csin%5E%7B2%7Dx%7D  。

例6.求 y=(x+3)/(x²+3) 在点 x=3 处的导数。

【解】

%5Cscriptsize%5Cbegin%7Baligned%7D%0A%26y%5E%7B'%7D%3D%5Cfrac%7B1%5Ccdot(x%5E%7B2%7D%2B3)-(x%2B3)%5Ccdot2x%7D%7B(x%5E%7B2%7D%2B3)%5E%7B2%7D%7D%3D%5Cfrac%7B-x%5E%7B2%7D-6x%2B3%7D%7B(x%5E%7B2%7D%2B3)%5E%7B2%7D%7D%2C%20%5C%5C%0A%5Ctherefore%5C%3B%26%20y%5E%7B%5Cprime%7D%5Cbigg%7C_%7Bx%3D3%7D%3D%5Cfrac%7B-9-18%2B3%7D%7B%5Cleft(9%2B3%5Cright)%5E%7B2%7D%7D%3D%5Cfrac%7B-24%7D%7B144%7D%3D-%5Cfrac%7B1%7D%7B6%7D.%0A%5Cend%7Baligned%7D

例7.求证当 n 是负整数时,公式 (xⁿ)'=nxⁿ⁻¹ 仍然成立。

【证明】

设 n=-m,则 m 为正整数。

%5Cscriptsize%5Cbegin%7Baligned%7D(x%5E%7Bn%7D)%5E%7B%5Cprime%7D%3D(x%5E%7B-m%7D)%5E%7B%5Cprime%7D%3D%5Cleft(%5Cfrac%7B1%7D%7Bx%5E%7Bm%7D%7D%5Cright)%5E%7B%5Cprime%7D%3D%5Cfrac%7B0%5Ccdot%20x%5E%7Bm%7D-mx%5E%7Bm-1%7D%7D%7Bx%5E%7B2%20m%7D%7D%3D-mx%5E%7B-m-1%7D%3Dnx%5E%7Bn-1%7D%5Cend%7Baligned%7D  。

例8.求 y=2x²-3x+4-3/x+2/x² 的导数。

【解】

y=2x²-3x+4-3x⁻¹+2x²,

∴ y'=4x-3+3x⁻²-4x⁻³=4x-3+3/x²-4/x³  。

练习

1、求下列函数的导数:

(1) y=3x⁴-23x³+40x-10;

(2) y=ax³-bx+c;

(3) y=sinx-x+1;

(4) y=x²+2cosx  。

2、填空:

(1) [(3x²+1)(4x²-3)]'=(  )(4x²-3)+(3x²+1)(  );

(2) (x³sinx)'=(  )x²sinx+a³(  )  。

3、求下列函数的导数:

(1) y=(3x²+1)(2-x);

(2) y=(1-2x³)(x-3x²);

(3) y=(1+x²)cosx;

(4) y=(1+sinx)(1-2x)  。

4、填空:

%5Cscriptsize%5Cbegin%7Baligned%7D%26(1)%20%5Cleft(%5Cfrac%7Bx%7D%7Bx%5E%7B2%7D%2B1%7D%5Cright)%5E%7B%5Cprime%7D%3D%5Cfrac%7B(%5Cquad)(x%5E%7B2%7D%2B1)-x(%5Cquad)%7D%7B(x%5E%7B2%7D%2B1)%5E%7B2%7D%7D%3B%5C%5C%26(2)%20%5Cleft(%5Cfrac%7B1-x%5E%7B2%7D%7D%7B%5Csin%20x%7D%5Cright)%5E%7B%5Cprime%7D%3D%5Cfrac%7B(%5Cquad)%5Csin%20x-(1-x%5E%7B2%7D)(%5Cquad)%7D%7B%5Csin%5E%7B2%7Dx%7D.%5Cend%7Baligned%7D

5、求下列函数的导数:

%5Cscriptsize%5Cbegin%7Baligned%7D%0A%26(1)%20y%3D%20%5Cfrac%7Ba-x%7D%7Ba%2Bx%7D%3B%20%5C%5C%26%20(2)%20y%3D%20%20%5Cfrac%7B1%2Bx%7D%7B3-x%5E%7B2%7D%7D%3B%20%5C%5C%0A%26(3)%20y%3D%20%5Cfrac%7B%5Ccos%20x%7D%7B1-x%5E%7B2%7D%7D%3B%5C%5C%26%20(4)%20y%3D%20%5Cfrac%7B1%7D%7B1%2B%5Csin%20x%7D%3B%20%5C%5C%0A%26(5)%20y%3D%201%2B%5Cfrac%7B2%7D%7Bx%7D%2B%5Cfrac%7B3%7D%7Bx%5E%7B2%7D%7D-%5Cfrac%7B4%7D%7Bx%5E%7B3%7D%7D%3B%20%5C%5C%26%20(6)%20y%3D%20%20%5Cfrac%7B-3x%5E%7B4%7D%2B3x%5E%7B2%7D-5%7D%7Bx%5E%7B3%7D%7D.%20%0A%5Cend%7Baligned%7D

6、下列做法是否正确?如果不正确,加以改正:

%5Cscriptsize%5Cbegin%7Baligned%7D%26(1)%20%5B(3%2Bx%5E%7B2%7D)(2-x%5E%7B3%7D)%5D%5E%7B%5Cprime%7D%3D2x(2-x%5E%7B3%7D)%2B3x%5E%7B2%7D(3%2Bx%5E%7B2%7D)%3B%5C%5C%26(2)%20%5Cleft(%5Cfrac%7B1%2B%5Ccos%20x%7D%7Bx%5E%7B2%7D%7D%5Cright)%5E%7B%5Cprime%7D%3D%5Cfrac%7B2x(1%2B%5Ccos%20x)%2Bx%5E%7B2%7D%5Csin%20x%7D%7Bx%5E%7B2%7D%7D.%5Cend%7Baligned%7D


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