5.2.2 导数的四则运算法则

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考过本节的真题

没有考过

本站语料里还没有一道真题考到这一节:现有攻略中没有任何一篇,经由引本节作教材出处的实体连到本节。这一段是两跳派生的(节 ← 实体 ← 攻略),源里没有「节 → 题」的手写声明——新的攻略一上站,清单会自己长出来。它说的是本站已上站的那些卷子里没有考到,不是「高考不考这一节」。

讲解

本站对这一节的重写(不是原书转写):顺序可重组、推导可补全,目标是易读易学 + 与真题关联。原文以上方扫描图为准。

上一节把基本初等函数的导数查表就能得到了,可考卷上几乎见不到光秃秃的 x3x^{3}、cos⁡x\cos x、2x2^{x}—— 见到的是 x3−x+3x^{3}-x+3、x3exx^{3}\mathrm{e}^{x}、2sin⁡xx2\dfrac{2\sin x}{x^{2}} 这种拼起来的函数。 这一节补的就是四种拼法(和、差、积、商)的求导法则;第五种拼法(把一个函数塞进另一个里)留给下一节。

课本的引子很实在:例 2 里 p(t)=5×1.05tp(t)=5\times 1.05^{t},可以看成 f(t)=5f(t)=5 与 g(t)=1.05tg(t)=1.05^{t} 乘积的导数。 一般地,两个能求导的函数做四则运算之后,导数怎么算?

一、和差法则:唯一一条「照直觉」的

[f(x)±g(x)]′=f′(x)±g′(x).\bigl[f(x)\pm g(x)\bigr]'=f'(x)\pm g'(x).

课本让读者自己验一遍(探究):取 f(x)=x2f(x)=x^{2}、g(x)=xg(x)=x,y=x2+xy=x^{2}+x,

ΔyΔx=(x+Δx)2+(x+Δx)−(x2+x)Δx=(Δx)2+2x⋅Δx+ΔxΔx=Δx+2x+1,\frac{\Delta y}{\Delta x}=\frac{(x+\Delta x)^{2}+(x+\Delta x)-(x^{2}+x)}{\Delta x} =\frac{(\Delta x)^{2}+2x\cdot\Delta x+\Delta x}{\Delta x}=\Delta x+2x+1,

令 Δx→0\Delta x\to 0 得 [f(x)+g(x)]′=2x+1\left[f(x)+g(x)\right]'=2x+1;而 f′(x)=2xf'(x)=2x、g′(x)=1g'(x)=1,两者之和正是 2x+12x+1。

这个验证的价值在于它揭示了原因:差商本身就是可以逐项拆的—— Δ(f+g)Δx=ΔfΔx+ΔgΔx\dfrac{\Delta(f+g)}{\Delta x}=\dfrac{\Delta f}{\Delta x}+\dfrac{\Delta g}{\Delta x}, 再用「和的极限等于极限的和」就得到法则。这是四条法则里唯一一条能这样一眼看穿的, 下面两条都不能。

例 3 重讲。 (1) y=x3−x+3y=x^{3}-x+3:逐项求导,

y′=(x3)′−(x)′+(3)′=3x2−1+0=3x2−1.y'=(x^{3})'-(x)'+(3)'=3x^{2}-1+0=3x^{2}-1 .

(常数项的导数是 00,别把 33 抄下来。)(2) y=2x+cos⁡xy=2^{x}+\cos x:

y′=(2x)′+(cos⁡x)′=2xln⁡2−sin⁡x.y'=(2^{x})'+(\cos x)'=2^{x}\ln 2-\sin x .

这里最容易串的是两张公式:(xn)′=nxn−1(x^{n})'=nx^{n-1}(幂函数,指数降一档)与 (ax)′=axln⁡a(a^{x})'=a^{x}\ln a(指数函数,形状不变、多乘一个 ln⁡a\ln a)。 同一道题里两种同时出现时,先看谁在底数的位置上。

法则可以用到有限多项:[f1±f2±⋯±fn]′=f1′±f2′±⋯±fn′\bigl[f_1\pm f_2\pm\cdots\pm f_n\bigr]'=f_1'\pm f_2'\pm\cdots\pm f_n', 所以多项式求导就是一项一项来。

二、积法则:为什么不是 f′g′f'g'

课本先用一个反例把「想当然」堵死(思考):还取 f(x)=x2f(x)=x^{2}、g(x)=xg(x)=x,

[f(x)g(x)]′=(x3)′=3x2,f′(x)g′(x)=2x⋅1=2x,\bigl[f(x)g(x)\bigr]'=(x^{3})'=3x^{2},\qquad f'(x)g'(x)=2x\cdot 1=2x,

两者不等。同样地,商的导数也不等于导数的商。这个反例要记住,它是本节最高频的错源。

正确的两条:

[f(x)g(x)]′=f′(x)g(x)+f(x)g′(x);\bigl[f(x)g(x)\bigr]'=f'(x)g(x)+f(x)g'(x); [f(x)g(x)]′=f′(x)g(x)−f(x)g′(x)[g(x)]2(g(x)≠0).\left[\frac{f(x)}{g(x)}\right]'=\frac{f'(x)g(x)-f(x)g'(x)}{\bigl[g(x)\bigr]^{2}}\quad(g(x)\neq 0).

积法则的口诀:「前导后不导 ++ 前不导后导」。 两项,加号,谁都别漏。

为什么会是这个形状(课本没证,这里补一个能自己想明白的说法):把自变量从 xx 挪到 x+Δxx+\Delta x, 乘积的增量是

Δ(fg)=(f+Δf)(g+Δg)−fg=Δf⋅g+f⋅Δg+Δf⋅Δg.\Delta(fg)=(f+\Delta f)(g+\Delta g)-fg=\Delta f\cdot g+f\cdot\Delta g+\Delta f\cdot\Delta g .

除以 Δx\Delta x 之后,前两项给出 f′g+fg′f'g+fg',最后一项是 ΔfΔx⋅Δg\dfrac{\Delta f}{\Delta x}\cdot\Delta g—— Δx→0\Delta x\to 0 时它趋于 f′⋅0=0f'\cdot 0=0。「两个都在变,所以要变两次;两个一起变的那一点点可以忽略」, 这就是两项相加的来源。

常数倍是积法则的直接推论。 取 f(x)=cf(x)=c(常数),由 c′=0c'=0,

[cf(x)]′=c′f(x)+cf′(x)=cf′(x).\bigl[c f(x)\bigr]'=c'f(x)+cf'(x)=cf'(x).

也就是说,常数因子可以拎到求导号外面:(5×1.05t)′=5×1.05tln⁡1.05(5\times 1.05^{t})'=5\times 1.05^{t}\ln 1.05。 课本一开头那个 p(t)=5×1.05tp(t)=5\times 1.05^{t} 到这里就算完了——它根本不需要完整的积法则。

例 4(1) 重讲。 y=x3exy=x^{3}\mathrm{e}^{x} 是两个都在变的函数的乘积,套口诀:

y′=(x3)′ex+x3(ex)′=3x2ex+x3ex.y'=(x^{3})'\mathrm{e}^{x}+x^{3}(\mathrm{e}^{x})'=3x^{2}\mathrm{e}^{x}+x^{3}\mathrm{e}^{x}.

(能提公因式就提:=x2ex(3+x)=x^{2}\mathrm{e}^{x}(3+x)。求导之后化简不是多余功——后面判单调性要看的正是因式的符号。)

三、商法则:三个位置都不能错

[fg]′=f′g−fg′g2(g≠0)\left[\frac{f}{g}\right]'=\frac{f'g-fg'}{g^{2}}\quad(g\neq 0)

三处要死记:分子是减号(顺序不能颠倒,减法有方向)、减号前面是「分子先导」、 分母是 gg 的平方(不是 gg,也不是 g′g')。

一个常用特例(f≡1f\equiv 1):

(1g)′=0⋅g−1⋅g′g2=−g′g2.\left(\frac{1}{g}\right)'=\frac{0\cdot g-1\cdot g'}{g^{2}}=-\frac{g'}{g^{2}} .

例 4(2) 重讲。 y=2sin⁡xx2y=\dfrac{2\sin x}{x^{2}}:

y′=(2sin⁡x)′x2−2sin⁡x (x2)′(x2)2=2x2cos⁡x−4xsin⁡xx4=2xcos⁡x−4sin⁡xx3.y'=\frac{(2\sin x)'x^{2}-2\sin x\,(x^{2})'}{(x^{2})^{2}} =\frac{2x^{2}\cos x-4x\sin x}{x^{4}} =\frac{2x\cos x-4\sin x}{x^{3}} .

最后一步约掉了一个 xx——分子分母有公因式就约,课本自己也约了。(这里 x≠0x\neq 0 本来就是定义域要求。)

例 5 重讲(净化费用)。 把 1 t1\ \mathrm{t} 水净化到纯净度 x%x\% 的费用是 c(x)=5284100−x (80<x<100)c(x)=\dfrac{5284}{100-x}\ (80<x<100),问净化到 90%90\%、98%98\% 时费用的瞬时变化率。 「瞬时变化率」就是导数,所以先求 c′c'。用商法则(f=5284f=5284 是常数,g=100−xg=100-x):

c′(x)=5284′×(100−x)−5284×(100−x)′(100−x)2=0×(100−x)−5284×(−1)(100−x)2=5284(100−x)2.c'(x)=\frac{5284'\times(100-x)-5284\times(100-x)'}{(100-x)^{2}} =\frac{0\times(100-x)-5284\times(-1)}{(100-x)^{2}}=\frac{5284}{(100-x)^{2}} .

于是

c′(90)=5284102=52.84,c′(98)=528422=1321.c'(90)=\frac{5284}{10^{2}}=52.84,\qquad c'(98)=\frac{5284}{2^{2}}=1321 .

答案要带单位、要会读:净化到 90%90\% 时费用的瞬时变化率是 52.8452.84 元/吨,到 98%98\% 时是 13211321 元/吨。 课本紧接着点出这两个数的关系:c′(98)=25 c′(90)c'(98)=25\,c'(90)——纯净度越高,费用不但更多,涨得还更快。 这就是导数在应用题里的读法:导数的大小 = 变化的快慢。

(例 5 的解答印在第 8383 页,在本站的目录树里那一页归 §5.2.3 那一节;本节页上只有题面。)

四、混用时的次序:先问「最后一步是什么运算」

一个式子该用哪条法则,看它最外层的运算是什么:

函数最外层运算用哪条
x3−x+3x^{3}-x+3加减和差法则,逐项
3cos⁡x+2x3\cos x+2^{x}加减和差法则 ++ 常数倍
x3exx^{3}\mathrm{e}^{x}乘积法则
(x2+2x)x(x^{2}+2x)\sqrt{x}乘积法则(或先展开成 x52+2x32x^{\frac52}+2x^{\frac32} 再逐项)
ln⁡xx\dfrac{\ln x}{x}除商法则
tan⁡x=sin⁡xcos⁡x\tan x=\dfrac{\sin x}{\cos x}除商法则,得 1cos⁡2x\dfrac{1}{\cos^{2}x}

两条实战经验:

  1. 能先化简就先化简。 (x2+2x)x(x^{2}+2x)\sqrt{x} 展开成 x52+2x32x^{\frac52}+2x^{\frac32},用和差法则两行就完; 套积法则要多写一行还容易漏项。2sin⁡xx2\dfrac{2\sin x}{x^{2}} 也可以先把 22 提到外面。
  2. 法则可以套着用。 一个式子里同时有乘、有加,就从最外层往里剥: [x2(sin⁡x+1)]′=2x(sin⁡x+1)+x2cos⁡x\bigl[x^{2}(\sin x+1)\bigr]'=2x(\sin x+1)+x^{2}\cos x——外层用积法则,里层的 (sin⁡x+1)′(\sin x+1)' 用和差法则。

tan⁡x\tan x 那一行值得单独记下来:

(tan⁡x)′=(sin⁡x)′cos⁡x−sin⁡x(cos⁡x)′cos⁡2x=cos⁡2x+sin⁡2xcos⁡2x=1cos⁡2x(x≠kπ+π2).(\tan x)'=\frac{(\sin x)'\cos x-\sin x(\cos x)'}{\cos^{2}x} =\frac{\cos^{2}x+\sin^{2}x}{\cos^{2}x}=\frac{1}{\cos^{2}x}\quad\Bigl(x\neq k\pi+\frac{\pi}{2}\Bigr).

它是商法则最漂亮的一次应用,也是公式表的一条常用补充。

五、易错清单(按丢分频率排)

  1. 积、商法则写成 f′g′f'g'、f′g′\dfrac{f'}{g'}。 课本专门用一个 思考 堵这个口子, (x2⋅x)′=3x2≠2x(x^{2}\cdot x)'=3x^{2}\neq 2x 这个反例要能随手举出来。
  2. 商法则分子写反、或分母忘平方。 分子恒是「分子先导减「分母后导」」,分母恒是 g2g^{2}。 检查办法:拿 (1x)′\left(\dfrac{1}{x}\right)' 试一下,正确结果 −1x2-\dfrac{1}{x^{2}},写反就会得 +1x2+\dfrac{1}{x^{2}}。
  3. 常数的导数当成它自己。 (3)′=0(3)'=0;[cf]′=cf′\bigl[cf\bigr]'=cf' 里那个 cc 不参与求导。
  4. 和差写成了「先求导再随便配」。 逐项求导时符号跟着原式:−x-x 的导数是 −1-1。
  5. 求完不化简。 3x2ex+x3ex3x^{2}\mathrm{e}^{x}+x^{3}\mathrm{e}^{x} 不提成 x2ex(x+3)x^{2}\mathrm{e}^{x}(x+3), 到了 §5.3 判单调性时就看不出符号。
  6. 定义域被丢在半路。 商法则要 g(x)≠0g(x)\neq 0;ln⁡xx\dfrac{\ln x}{x} 从一开始就只在 x>0x>0 上有意义。 写单调区间、写切线时都得带着这个前提。

六、这一节在整章里的位置,以及往后怎么用

  • 往前:§5.2.1 的基本初等函数导数公式表——那是零件,本节是装配说明。 两者合起来,才让「初等函数都能求导」这句话在高中范围内成立。
  • 紧接着:§5.2.3 的链式法则补上第五种拼法。装配说明到那时就齐了, 而混用的次序(先看最外层是四则运算还是复合)正是那一节真正的失分处。
  • 往后:§5.3 用导数判单调、求极值与最值。到那里求导只是解答的第一行, 但那一行错了后面全错——所以本节的四条法则要练到不用想。

本节的练习在哪儿。 本节自己的页(第 8181–8282 页)只印了例 3、例 4、例 5; 本节的 练习 三道印在第 8383 页上,在本站的目录树里那一页归 §5.2.3 那一节, 所以那三道题的详解写在 §5.2.3 的习题详解里(连同第 8686 页的 练习 与 习题5.2)。 本节这一份因此只有讲解,没有单独的习题详解——不是漏了,是题不在这几页上。

真题读法。 页面下方那份「考过本节的真题」是构建期派生的完整清单;这里只给一个读的顺序:

  1. 先读 2019 年第 9 题(分段函数减去一条直线之后恰有三个零点)——它的第一步就是本节: [13x3−12(a+1)x2+ax−ax−b]′\left[\frac13x^{3}-\frac12(a+1)x^{2}+ax-ax-b\right]' 用和差法则加常数倍逐项算出 x2−(a+1)xx^{2}-(a+1)x,而看出 +ax+ax 与 −ax-ax 抵消,比会背法则更值钱。
  2. 再读 2024 年第 10 题(三次函数的四个命题逐项判断)与 2021 年第 7 题(由图象选函数)—— 两道都是「求完导数之后拿它读单调性」,本节的和差法则是入场券。
  3. 然后是 2023 年第 19 题与 2024 年第 18 题:含参函数,求导后要分类讨论。 求导那一行如果把 ex\mathrm{e}^{x} 的系数弄丢,后面整题作废。
  4. 上限是 2021 年第 22 题(含参指数函数的单调性、零点与放缩):本节的法则在那里只是第一步, 但那一步必须又快又准——四则运算法则是这一章所有大题的公共起跑线。

原书转写(OCR,供核对)

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机器转写,如有出入以上方扫描图为准。它是原文可搜索、可复制公式、读屏器读得出的形态, 也是教材原文引文的逐字比对靶。

5.2.2 导数的四则运算法则

在例2中,当 p0=5p_0 = 5 时,p(t)=5×1.05tp(t) = 5 \times 1.05^t。这时,求 pp 关于 tt 的导数可以看成求函数 f(t)=5f(t) = 5 与 g(t)=1.05tg(t) = 1.05^t 乘积的导数。一般地,如何求两个函数的和、差、积、商的导数呢?

探究

设 f(x)=x2f(x) = x^2 , g(x)=xg(x) = x ,计算 [f(x)+g(x)]′[f(x) + g(x)]' 与 [f(x)−g(x)]′[f(x) - g(x)]',它们与f′(x)f^{\prime}(x) 和 g′(x)g^{\prime}(x) 有什么关系?再取几组函数试试,上述关系仍然成立吗?由此你能想到什么?

设 y=f(x)+g(x)=x2+xy = f(x) + g(x) = x^2 + x,因为

ΔyΔx=(x+Δx)2+(x+Δx)−(x2+x)Δx=(Δx)2+2x⋅Δx+ΔxΔx=Δx+2x+1,\begin{array}{r l} \frac {\Delta y}{\Delta x} & = \frac {(x + \Delta x) ^ {2} + (x + \Delta x) - (x ^ {2} + x)}{\Delta x} \\ & = \frac {(\Delta x) ^ {2} + 2 x \cdot \Delta x + \Delta x}{\Delta x} \\ & = \Delta x + 2 x + 1, \end{array}

所以

[f(x)+g(x)]′=y′=lim⁡Δx→0ΔyΔx=lim⁡Δx→0(Δx+2x+1)=2x+1.[ f (x) + g (x) ] ^ {\prime} = y ^ {\prime} = \lim _ {\Delta x \to 0} \frac {\Delta y}{\Delta x} = \lim _ {\Delta x \to 0} (\Delta x + 2 x + 1) = 2 x + 1.

而

f′(x)=(x2)′=2x,g′(x)=x′=1,f ^ {\prime} (x) = (x ^ {2}) ^ {\prime} = 2 x, g ^ {\prime} (x) = x ^ {\prime} = 1,

所以

[f(x)+g(x)]′=f′(x)+g′(x).\left[ f (x) + g (x) \right] ^ {\prime} = f ^ {\prime} (x) + g ^ {\prime} (x).

同样地,对于上述函数, [f(x)−g(x)]′=f′(x)−g′(x)\left[f(x)-g(x)\right]'=f'(x)-g'(x) .

一般地,对于两个函数 f(x)f(x) 和 g(x)g(x) 的和(或差)的导数,我们有如下法则:

[f(x)±g(x)]′=f′(x)±g′(x).\left[ f (x) \pm g (x) \right] ^ {\prime} = f ^ {\prime} (x) \pm g ^ {\prime} (x).

例 3 求下列函数的导数:

(1) y=x3−x+3y = x^3 - x + 3; (2) y=2x+cos⁡xy = 2^x + \cos x.

解:(1) y′=(x3−x+3)′y'=(x^{3}-x+3)' =(x3)′−(x)′+(3)′=(x^{3})'-(x)'+(3)' =3x2−1;=3x^{2}-1;

(2) y′=(2x+cos⁡x)′y'=(2^{x}+\cos x)' =(2x)′+(cos⁡x)′=(2^{x})'+(\cos x)' =2xln⁡2−sin⁡x.=2^{x}\ln 2-\sin x.

思考

设 f(x)=x2f(x) = x^2 , g(x)=xg(x) = x ,计算 [f(x)g(x)]′[f(x)g(x)]' 与 f′(x)g′(x)f^{\prime}(x)g^{\prime}(x) ,它们是否相等?f(x)f(x) 与 g(x)g(x) 商的导数是否等于它们导数的商呢?

通过计算可知, [f(x)g(x)]′=(x3)′=3x2[f(x)g(x)]' = (x^3)' = 3x^2 , f′(x)g′(x)=2x⋅1=2xf^{\prime}(x)g^{\prime}(x) = 2x\cdot 1 = 2x ,因此[f(x)g(x)]′≠f′(x)g′(x)[f(x)g(x)]'\neq f'(x)g'(x) .同样地, [f(x)g(x)]′\left[\frac{f(x)}{g(x)}\right]' 与 f′(x)g′(x)\frac{f'(x)}{g'(x)} 也不相等.

事实上,对于两个函数 f(x)f(x) 和 g(x)g(x) 的乘积(或商)的导数,我们有如下法则:

[f(x)g(x)]′=f′(x)g(x)+f(x)g′(x);[f(x)g(x)]′=f′(x)g(x)−f(x)g′(x)[g(x)]2(g(x)≠0).\begin{array}{r l} & {\left[ f (x) g (x) \right] ^ {\prime} = f ^ {\prime} (x) g (x) + f (x) g ^ {\prime} (x);} \\ & {\left[ \frac {f (x)}{g (x)} \right] ^ {\prime} = \frac {f ^ {\prime} (x) g (x) - f (x) g ^ {\prime} (x)}{\left[ g (x) \right] ^ {2}} \quad (g (x) \neq 0).} \end{array}

由函数的乘积的导数法则可以得出

[cf(x)]′=c′f(x)+cf′(x)=cf′(x),[ c f (x) ] ^ {\prime} = c ^ {\prime} f (x) + c f ^ {\prime} (x) = c f ^ {\prime} (x),

也就是说,常数与函数的积的导数,等于常数与函数的导数的积,即

[cf(x)]′=cf′(x).[ c f (x) ] ^ {\prime} = c f ^ {\prime} (x).

例 4 求下列函数的导数:

(1) y=x3exy = x^3\mathrm{e}^x; (2) y=2sin⁡xx2y = \frac{2\sin x}{x^2}.

解:(1) y′=(x3ex)′y'=(x^{3}e^{x})' =(x3)′ex+x3(ex)′=(x^{3})'e^{x}+x^{3}(e^{x})' =3x2ex+x3ex.=3x^{2}e^{x}+x^{3}e^{x}.

(2)y′=(2sin⁡xx2)′=(2sin⁡x)′x2−2sin⁡x(x2)′(x2)2=2x2cos⁡x−4xsin⁡xx4=2xcos⁡x−4sin⁡xx3.\begin{array}{r l} (2) y ^ {\prime} & = \left(\frac {2 \sin x}{x ^ {2}}\right) ^ {\prime} \\ & = \frac {(2 \sin x) ^ {\prime} x ^ {2} - 2 \sin x (x ^ {2}) ^ {\prime}}{(x ^ {2}) ^ {2}} = \frac {2 x ^ {2} \cos x - 4 x \sin x}{x ^ {4}} \\ & = \frac {2 x \cos x - 4 \sin x}{x ^ {3}}. \end{array}

例 5 日常生活中的饮用水通常是经过净化的。随着水的纯净度的提高,所需净化费用不断增加。已知将 1 t 水净化到纯净度为 x% 时所需费用(单位:元)为

c(x)=5284100−x(80<x<100).c (x) = \frac {5 2 8 4}{1 0 0 - x} (8 0 < x < 1 0 0).

求净化到下列纯净度时,所需净化费用的瞬时变化率:

(1) 90%; (2) 98%.