求导基础及常用函数的导数

求导基础及常用函数的导数

一些微积分的基础知识。

关于求导

​ 我们对于一个函数所求的导函数实为:基于其图像中的每一点求其斜率的函数表达式。

f(x)f`(x) 表示函数 f(x)f(x) 的导函数,那么就有:

limh0f(x+h)f(x)h\lim_{h\rightarrow0}\frac{f(x+h)-f(x)}{h}

​ 在熟练了求导过程之后,感性的理解,求导其实类似于一个降次的过程。

​ 而且求导可以进行多次,注意每次求导时常数项会化为 00

​ 这里放几个普普通通的技巧:

乘法法则

​ 如果 h(x)=g(x)f(x)h(x)=g(x)f(x),则有 h(x)=f(x)g(x)+f(x)g(x)h^\prime(x)=f^\prime(x)g(x)+f(x)g^\prime(x)

商法则

​ 如果 h(x)=f(x)g(x)h(x)=\frac{f(x)}{g(x)},则有 h(x)=f(x)g(x)f(x)g(x)g(x)2h^\prime(x)=\frac{f^\prime(x)g(x)-f(x)g^\prime(x)}{g(x)^{2} }

链式求导法则(复合函数)

​ 如果 h(x)=f(g(x))h(x)=f(g(x)),则有 h(x)=f(g(x))g(x)h^\prime(x)=f^\prime(g(x))g^\prime(x)

形同 xn{x}^{n} 的一般函数

f(x)=xnf(x)=x^n

limh0f(x+h)f(x)h=(x+h)nxnh\lim_{h\rightarrow0}\frac{f(x+h)-f(x)}{h}=\frac{ {(x+h)}^{n}-{x}^{n} }{h}

​ 此时考虑对于 h0h\rightarrow0 时,任何包含 hh 作为系数的多项式都为 00

​ 那么原式可以化为:

xn+(n1)xn1hxnh\frac{x^n+\binom{n}{1}x^{n-1}{h}-{x}^{n} }{h}

​ 所以,我们可以得出导函数为:

f(x)=nxn1f^\prime(x)=n{x}^{n-1}

三角函数

其实三角函数在OI中的应用并不太广泛。

sinx\sin{x} 关于 xx 求导

limh0f(x+h)f(x)h\lim_{h\rightarrow0}\frac{f(x+h)-f(x)}{h}

​ 对 sin(x+h)\sin(x+h) 转化:

sin(x+h)=sinxcosh+cosxsinh\sin{(x+h)}=\sin{x}\cos{h}+\cos{x}\sin{h}

​ 带入原式,则:

limh0sinxcosh+cosxsinhsinxh\lim_{h\rightarrow0}\frac{\sin{x}\cos{h}+\cos{x}\sin{h}-\sin{x} }{h}

limh0(sinx(cosh1h)+cosx(sinhh))\lim_{h\rightarrow0}\bigg(\sin{x}(\frac{\cos{h}-1}{h})+\cos{x}(\frac{\sin{h} }{h})\bigg)

​ 易知h0h\rightarrow0 时,cosh1h0\frac{\cos{h}-1}{h}\rightarrow0sinhh1\frac{\sin{h} }{h}\rightarrow1,则得:

f(x)=cosxf^\prime(x)=\cos{x}

cosx\cos{x} 关于 xx 求导

limh0f(x+h)f(x)h\lim_{h\rightarrow0}\frac{f(x+h)-f(x)}{h}

​ 对 sin(x+h)\sin(x+h) 转化:

cos(x+h)=cosxcosh+sinxsinh\cos(x+h)=\cos{x}\cos{h}+\sin{x}\sin{h}

​ 带入原式,则:

limh0cosxcosh+sinxsinhcosxh\lim_{h\rightarrow0}\frac{\cos{x}\cos{h}+\sin{x}\sin{h}-\cos{x} }{h}

limh0(cosx(cosh1h)+sinxsinhh)\lim_{h\rightarrow0}\bigg(\cos{x}(\frac{\cos{h}-1}{h})+\sin{x}\frac{\sin{h} }{h}\bigg)

​ 易知 h0h\rightarrow0 时,cosh1h0\frac{\cos{h}-1}{h}\rightarrow0sinhh1\frac{\sin{h} }{h}\rightarrow1,则得:

f(x)=sinxf^\prime(x)=\sin{x}

关于 ee 的定义

ee 即是自然常数,ln\ln 则是以 ee 为底数的自然对数。

​ 对于 ee 有一个非常著名的公式来作为他的定义:

limn(1+rn)n=er\lim_{n\rightarrow\infty}(1+\frac{r}{n})^{n}={e}^{r}

​ 而 ee 是一个无理数,大概的取值为 2.7182812.718281\cdots

​ 据此得出推论:

limh(1+xh)h=ex\lim_{h\rightarrow\infty}(1+\frac{x}{h})^{h}={e}^{x}

limh0(1+xh)1h=ex\lim_{h\rightarrow0}(1+xh)^{\frac{1}{h} }={e}^{x}

对数函数

f(x)=logbxf(x)=\log_{b}x

​ 运用导数定义法我们易知:

f(x)=limh0logb(x+h)logbxhf^\prime(x)=\lim_{h\rightarrow0}\frac{\log_{b}{(x+h)}-\log_{b}{x} }{h}

limh01hlogb(x+hx)\lim_{h\rightarrow0}\frac{1}{h}\log_{b}{(\frac{x+h}{x})}

limh0logb((1+hx)1h)\lim_{h\rightarrow0}\log_{b}\big({(1+\frac{h}{x})}^{\frac{1}{h} }\big)

​ 那么,我们易知:

limh0(1+hx)1h=e1x\lim_{h\rightarrow0}(1+\frac{h}{x})^{\frac{1}{h} }={e}^{\frac{1}{x} }

f(x)=logb(e1x)=1xlogbef^\prime(x)=\log_{b}({e}^{\frac{1}{x} })=\frac{1}{x}\log_b{e}

​ 此时运用换底公式:

logba=logcalogcb\log_{b}{a}=\frac{\log_{c}{a} }{\log_{c}{b} }

​ 那么易知:

f(x)=1xlogeelogeb=1xlnbf^\prime(x)=\frac{1}{x}\frac{\log_{e}{e} }{\log_{e}{b} }=\frac{1}{x\ln{b} }

指数函数

f(x)=bxf(x)={b}^{x}

​ 考虑使用链式求导法则,令 h(x)=xh(x)=xf(x)=bxf(x)={b}^{x}g(x)=logbxg(x)=\log_{b}{x}

​ 那么易知:h(x)=f(g(x))h(x)=f(g(x)),即 blogbx=xb^{\log_{b}{x} }=x,所以得:

h(x)=f(g(x))g(x)h^\prime(x)=f^\prime(g(x))g^\prime(x)

h(x)=1h^\prime(x)=1

g(x)=1xlnbg^\prime(x)=\frac{1}{x\ln{b} }

​ 联立则有:

f(logbx)1xlnb=1f^\prime(\log_b{x})\frac{1}{x\ln{b} }=1

f(logbx)=xlnbf^\prime(\log_{b}{x})=x\ln{b}

​ 将 logbx\log_b{x} 替换为 xx,则有:

f(x)=bxlnbf^\prime(x)={b}^{x}\ln{b}

​ 特别地,令 b=eb=e 时,f(x)=exf(x)={e}^{x},易得:

f(x)=exf^\prime(x)={e}^{x}