5.2 导数的运算

人教 A 版 · 本节 4 页原书扫描(原文)+ 本站重写的讲解与习题详解考过 22 题 ↓

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本节的知识树

1 概念 · 1 公式 · 最深 2 层。根是引本节作教材出处的实体,长链由 `prereqs` 构建期派生——源里只有最小一步。

考过本节的真题

共 22 道

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。

上一节把导数定义清楚了:f′(x0)f'(x_0) 是平均变化率 ΔyΔx\dfrac{\Delta y}{\Delta x} 在 Δx→0\Delta x \to 0 时的极限。 定义能算,但太慢——每求一次导数都要写一遍差商、约一次分、取一次极限。这一节要做的事只有一件: 把”每次都从定义算”换成”查表 + 套法则”。

课本按”先逐个从定义推、再列表”的顺序走。这里换个顺序:先说清为什么可以查表,再把表列出来, 最后讲怎么用它才不出错——因为这一节的失分几乎全在”用表”这一步,不在”推表”那一步。

一、为什么可以查表:导数是唯一确定的

一个函数在一点的导数是一个确定的数(极限存在时唯一);于是当 xx 变化时,x↦f′(x)x \mapsto f'(x) 就是 一个函数,叫 f(x)f(x) 的导函数,也记作 y′y':

f′(x)=y′=lim⁡Δx→0f(x+Δx)−f(x)Δx.f'(x) = y' = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{f(x+\Delta x) - f(x)}{\Delta x}.

唯一性是查表的全部依据:既然 y=x2y = x^2 的导函数只能是一个,那么把它算一次、记下来, 以后遇到 x2x^2 就直接写 2x2x,与重新算一遍是同一件事。课本从定义逐个推出 cc、xx、x2x^2、x3x^3、1x\dfrac{1}{x}、x\sqrt{x} 六个,正是在攒这张表。

这六次推导里,有三种”约掉 Δx\Delta x“的手法值得记住,它们在后面的题里还会出现:

  • 展开抵消(x2x^2、x3x^3):把 (x+Δx)n(x+\Delta x)^n 展开,xnx^n 与 −xn-x^n 抵消,剩下的每一项都带 Δx\Delta x, 于是分子分母同除 Δx\Delta x;
  • 通分(1x\dfrac{1}{x}):1x+Δx−1x=−Δxx(x+Δx)\dfrac{1}{x+\Delta x} - \dfrac{1}{x} = \dfrac{-\Delta x}{x(x+\Delta x)},Δx\Delta x 自然出现在分子上;
  • 有理化(x\sqrt{x}):分子分母同乘 x+Δx+x\sqrt{x+\Delta x}+\sqrt{x},把根号差变成 Δx\Delta x。

二、基本初等函数的导数公式表

课本表 5.2-1 的六条(第 79 页),本站把它登记为「常见函数的导数」:

原函数导函数备注
f(x)=cf(x) = cf′(x)=0f'(x) = 0cc 为常数
f(x)=xαf(x) = x^{\alpha}f′(x)=αxα−1f'(x) = \alpha x^{\alpha-1}α∈R\alpha \in \mathbf{R} 且 α≠0\alpha \neq 0
f(x)=sin⁡xf(x) = \sin xf′(x)=cos⁡xf'(x) = \cos x
f(x)=cos⁡xf(x) = \cos xf′(x)=−sin⁡xf'(x) = -\sin x
f(x)=axf(x) = a^xf′(x)=axln⁡af'(x) = a^x \ln aa>0a > 0 且 a≠1a \neq 1
f(x)=exf(x) = \mathrm{e}^xf′(x)=exf'(x) = \mathrm{e}^x上一条取 a=ea = \mathrm{e},因为 ln⁡e=1\ln \mathrm{e} = 1
f(x)=log⁡axf(x) = \log_a xf′(x)=1xln⁡af'(x) = \dfrac{1}{x \ln a}a>0a > 0 且 a≠1a \neq 1
f(x)=ln⁡xf(x) = \ln xf′(x)=1xf'(x) = \dfrac{1}{x}上一条取 a=ea = \mathrm{e}

两组”特别地”值得单独记:ex\mathrm{e}^x 与 ln⁡x\ln x 之所以形状最干净,是因为它们把 ln⁡a\ln a 这个系数 取成了 11。e\mathrm{e} 是让指数、对数求导最省事的那个底,这是它在微积分里到处出现的原因。

α≠0\alpha \neq 0 那条限制不必死记:α=0\alpha = 0 时 x0=1x^0 = 1 是常数,归第一行管,结果同样是 00。

三、用表之前,先把函数写成表里的形状

这一节的题九成长成这样:给你的式子不在表里,但化一下就在表里。所以真正的动作是”改写”,不是”求导”。

1. 根式、分式一律改写成幂。 表里只有 xαx^{\alpha} 一条,所以

1x4=x−4,x43=x43,x=x12,1x=x−12.\frac{1}{x^4} = x^{-4}, \qquad \sqrt[3]{x^4} = x^{\frac{4}{3}}, \qquad \sqrt{x} = x^{\frac{1}{2}}, \qquad \frac{1}{\sqrt{x}} = x^{-\frac{1}{2}}.

改写之后套 αxα−1\alpha x^{\alpha-1},指数照样按实数减 11:(x−4)′=−4x−5(x^{-4})' = -4x^{-5},(x43)′=43x13\left(x^{\frac{4}{3}}\right)' = \frac{4}{3}x^{\frac{1}{3}}。 负指数减 1 会更负、分数指数减 1 会变号,这两处符号是最常写错的地方。

2. 底数不是 e\mathrm{e} 的指数、对数,把 ln⁡a\ln a 摆对位置。 指数函数的 ln⁡a\ln a 在分子 ((ax)′=axln⁡a(a^x)' = a^x \ln a),对数函数的 ln⁡a\ln a 在分母((log⁡ax)′=1xln⁡a(\log_a x)' = \frac{1}{x\ln a})。 一个乘上去、一个除下来,记反了整道题就废了。

3. 底数小于 1 时 ln⁡a<0\ln a < 0。 ((12)x)′=(12)xln⁡12=−(12)xln⁡2\left(\left(\frac{1}{2}\right)^x\right)' = \left(\frac{1}{2}\right)^x \ln\frac{1}{2} = -\left(\frac{1}{2}\right)^x \ln 2, (log⁡12x)′=1xln⁡12=−1xln⁡2\left(\log_{\frac{1}{2}} x\right)' = \frac{1}{x\ln\frac{1}{2}} = -\frac{1}{x\ln 2}。 两个负号都来自 ln⁡12=−ln⁡2\ln \frac{1}{2} = -\ln 2,而它们正对应”底数小于 1 的指数、对数函数单调递减”。 符号能与单调性对上,就说明没抄错表。

四、导数的两种读法:斜率与瞬时变化率

同一个 f′(x0)f'(x_0) 有两种读法,题目问哪一种,就用哪一种语言作答:

  • 几何:f′(x0)f'(x_0) 是曲线 y=f(x)y = f(x) 在点 (x0,f(x0))(x_0, f(x_0)) 处切线的斜率;
  • 物理/实际:f′(x0)f'(x_0) 是 yy 关于 xx 在 x0x_0 处的瞬时变化率(速度、加速度、涨价速度、膨胀率…), 单位是”yy 的单位/xx 的单位”。

课本例 2 的通货膨胀题就是第二种读法:p(t)=1.05tp(t) = 1.05^t,p′(t)=1.05tln⁡1.05p'(t) = 1.05^t \ln 1.05, p′(10)≈0.08p'(10) \approx 0.08 的意思是”第 10 个年头前后,价格大约以每年 0.080.08 元的速度上涨”。 写实际意义时把单位带上,这是这类题给分的那一句。

求切线方程的固定三步

这一节的第 3、4 题都是它,后面几节还会一直用:

  1. 验点在不在曲线上。 把点的横坐标代进 ff,看纵坐标对不对得上。对不上说明它不是切点 (那是”过某点作切线”的另一类题,要设切点);
  2. 算斜率 k=f′(x0)k = f'(x_0);
  3. 写点斜式 y−f(x0)=f′(x0)(x−x0)y - f(x_0) = f'(x_0)(x - x_0),再整理成一般式。

第 1 步不能省。题目说”在点 PP 处的切线”时 PP 一定在曲线上,但过点 PP 的切线不一定—— 两者只差一个字,解法完全不同。

五、易错清单

按失分频率排:

  1. 幂指数减 1 减错(尤其负指数与分数指数)。改写完先把 α\alpha 写在纸上,再写 α−1\alpha - 1。
  2. ln⁡a\ln a 摆错位置(指数在分子、对数在分母)。
  3. 底数小于 1 时丢掉负号。 用”减函数导数应为负”回头核一遍。
  4. 切点没验。 “在点处”与”过点”混为一谈。
  5. 切线只求出斜率就收工。 题目问的是方程,要写成 y=kx+by = kx + b 或一般式。
  6. 实际意义不带单位、不说方向。 "−1.4-1.4"要读成”以每分钟 1.41.4 的速度下降”。
  7. log⁡ax\log_a x 与 ln⁡x\ln x 的定义域忘掉。 求导之前 x>0x > 0 就已经限定了,写切线时别把 x⩽0x \leqslant 0 的点也算进来。

六、这一节考过的真题(怎么用它们)

页面下方”考过本节的真题”那一段是构建期从知识图谱派生出来的完整清单,这里只给一个读的顺序:

  • 先做 2025 年第 12 题与 2024 年第 13 题:两道都是”由切线定参数”。前者给切线反求参数, 后者要求一条直线同时切两条曲线——正好把上面那三步正反各走一遍;
  • 再做 2024 年第 6 题与 2024 年第 10 题:把导数公式表接到单调性、图象判断上, 练的是”求完导数之后拿它干什么”;
  • 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, 求导本身只是第一行,真正的工作在后面;
  • 2022 年第 22 题与 2023 年第 22 题是这一节的上限:前者把”过一点作三条切线”翻译成 “某个函数有三个零点”,后者在一条抛物线上做几何最值。两道都在提醒一件事—— 导数公式表是入场券,不是解题法。

习题详解(本站解答,无官方答案可核)

人教 A 版学生用书不含答案,教师用书与全解不在本站语料里——因此本节习题的解答无官方答案可核,它们是本站写的。每一道都过了独立 verifier 的 refute 优先复核(默认它有问题,找不出问题才放行),但那不等于官方标准答案:拿它对思路,别拿它对分。

本节课本习题共 4 道,全在第 80 页「练习」里,逐题全做。本节没有「习题 5.2」—— 它排在 §5.2.3 那一节的末尾,归那一份详解。 每道题先逐字引课本的题面(引用块),再写解答。

全程只用基本初等函数的导数公式表(课本表 5.2-1,第 79 页): (c)′=0(c)'=0、(xα)′=αxα−1(x^{\alpha})'=\alpha x^{\alpha-1}、(sin⁡x)′=cos⁡x(\sin x)'=\cos x、(cos⁡x)′=−sin⁡x(\cos x)'=-\sin x、 (ax)′=axln⁡a(a^x)'=a^x\ln a、(ex)′=ex(\mathrm{e}^x)'=\mathrm{e}^x、(log⁡ax)′=1xln⁡a(\log_a x)'=\dfrac{1}{x\ln a}、(ln⁡x)′=1x(\ln x)'=\dfrac{1}{x}。

练习(第 80 页)第 1 题

  1. 求下列函数的导数: (1) y=1x4y=\frac{1}{x^{4}} ; (2) y=x43y=\sqrt[3]{x^{4}} ; (3) y=3xy=3^{x} ; (4) y=(12)xy=\left(\frac{1}{2}\right)^{x} ; (5) y=log⁡4xy=\log_{4}x ; (6) y=log⁡12xy=\log_{\frac{1}{2}}x .

六个小题的动作是同一个:先把式子改写成公式表里的形状,再套公式。

(1) 分式改写成负指数幂:y=1x4=x−4y=\dfrac{1}{x^4}=x^{-4}(定义域 x≠0x \neq 0)。由 (xα)′=αxα−1(x^{\alpha})'=\alpha x^{\alpha-1},取 α=−4\alpha=-4,

y′=−4x−4−1=−4x−5=−4x5.y'=-4x^{-4-1}=-4x^{-5}=-\frac{4}{x^{5}}.

(2) 根式改写成分数指数幂:y=x43=x43y=\sqrt[3]{x^4}=x^{\frac{4}{3}}。取 α=43\alpha=\dfrac{4}{3},

y′=43x43−1=43x13=43x3.y'=\frac{4}{3}x^{\frac{4}{3}-1}=\frac{4}{3}x^{\frac{1}{3}}=\frac{4}{3}\sqrt[3]{x}.

(3) 直接套指数函数公式,底数 a=3a=3:

y′=3xln⁡3.y'=3^{x}\ln 3.

(4) 底数 a=12a=\dfrac{1}{2}:

y′=(12)xln⁡12=−(12)xln⁡2.y'=\left(\frac{1}{2}\right)^{x}\ln\frac{1}{2}=-\left(\frac{1}{2}\right)^{x}\ln 2.

这里 ln⁡12=−ln⁡2<0\ln\dfrac{1}{2}=-\ln 2<0,所以 y′<0y'<0——与”底数小于 1 的指数函数单调递减”相符,符号核对通过。

(5) 对数函数公式,底数 a=4a=4(定义域 x>0x>0):

y′=1xln⁡4=12xln⁡2.y'=\frac{1}{x\ln 4}=\frac{1}{2x\ln 2}.

(用 ln⁡4=ln⁡22=2ln⁡2\ln 4=\ln 2^{2}=2\ln 2 化简,两种写法等价。)

(6) 底数 a=12a=\dfrac{1}{2}(定义域 x>0x>0):

y′=1xln⁡12=1−xln⁡2=−1xln⁡2.y'=\frac{1}{x\ln\frac{1}{2}}=\frac{1}{-x\ln 2}=-\frac{1}{x\ln 2}.

同样地,y′<0y'<0 与”底数小于 1 的对数函数单调递减”相符。

这道题的关键动作:指数函数的 ln⁡a\ln a 乘在分子上,对数函数的 ln⁡a\ln a 除在分母上, 两者一乘一除,位置记反整题就废。

练习(第 80 页)第 2 题

  1. 求下列函数在给定点处的导数:

(1) y=x5y=x^{5} 在x=3处的导数;

(2) y=ln⁡xy = \ln x 在 x=23x = \frac{2}{3} 处的导数;

(3) y=sin⁡xy = \sin x 在 x=2πx = 2\pi 处的导数;

(4) y=exy=e^{x} 在x=0处的导数.

两步:先求导函数,再代点。次序不能反——先代点会把函数变成常数,导数恒为 00。

(1) y′=(x5)′=5x4y'=(x^{5})'=5x^{4},代 x=3x=3:

y′∣x=3=5×34=5×81=405.y'\big|_{x=3}=5\times 3^{4}=5\times 81=405.

(2) y′=(ln⁡x)′=1xy'=(\ln x)'=\dfrac{1}{x}(x>0x>0,而 23>0\dfrac{2}{3}>0,在定义域内),代 x=23x=\dfrac{2}{3}:

y′∣x=23=123=32.y'\Big|_{x=\frac{2}{3}}=\frac{1}{\frac{2}{3}}=\frac{3}{2}.

(3) y′=(sin⁡x)′=cos⁡xy'=(\sin x)'=\cos x,代 x=2πx=2\pi:

y′∣x=2π=cos⁡2π=1.y'\big|_{x=2\pi}=\cos 2\pi=1.

(4) y′=(ex)′=exy'=(\mathrm{e}^{x})'=\mathrm{e}^{x},代 x=0x=0:

y′∣x=0=e0=1.y'\big|_{x=0}=\mathrm{e}^{0}=1.

核一遍 (3):sin⁡x\sin x 在 x=2πx=2\pi 附近正穿过零点向上走,切线斜率应为正且最大(∣cos⁡x∣⩽1|\cos x|\leqslant 1), 算得 11,相符。

练习(第 80 页)第 3 题

  1. 求余弦曲线 y=cos⁡xy = \cos x 在点 (π2,0)\left(\frac{\pi}{2}, 0\right) 处的切线方程.

第一步:验切点在曲线上。 把 x=π2x=\dfrac{\pi}{2} 代入 y=cos⁡xy=\cos x 得 cos⁡π2=0\cos\dfrac{\pi}{2}=0, 与题给的纵坐标 00 相符,所以 (π2,0)\left(\dfrac{\pi}{2},0\right) 确实是曲线上的点,它就是切点。 (这一步不能省:只有切点在曲线上时才能直接用 k=f′(x0)k=f'(x_0)。)

第二步:算斜率。 y′=(cos⁡x)′=−sin⁡xy'=(\cos x)'=-\sin x,代 x=π2x=\dfrac{\pi}{2}:

k=−sin⁡π2=−1.k=-\sin\frac{\pi}{2}=-1.

第三步:写点斜式。

y−0=−1⋅(x−π2),y-0=-1\cdot\left(x-\frac{\pi}{2}\right),

整理得

y=−x+π2,y=-x+\frac{\pi}{2},

即一般式

x+y−π2=0.x+y-\frac{\pi}{2}=0.

核一遍:切点 (π2,0)\left(\dfrac{\pi}{2},0\right) 代入 y=−x+π2y=-x+\dfrac{\pi}{2} 得 0=−π2+π2=00=-\dfrac{\pi}{2}+\dfrac{\pi}{2}=0, 在切线上;斜率 −1<0-1<0,与余弦曲线在 x=π2x=\dfrac{\pi}{2} 处正在下降相符。

练习(第 80 页)第 4 题

  1. 求曲线 y=x12y = x^{\frac{1}{2}} 在点(4,2)处的切线方程.

第一步:验切点。 y=x12=xy=x^{\frac{1}{2}}=\sqrt{x} 的定义域是 x⩾0x\geqslant 0;代 x=4x=4 得 4=2\sqrt{4}=2, 与题给纵坐标相符,所以 (4,2)(4,2) 是曲线上的点。

第二步:算斜率。 由 (xα)′=αxα−1(x^{\alpha})'=\alpha x^{\alpha-1} 取 α=12\alpha=\dfrac{1}{2},

y′=12x−12=12x(x>0),y'=\frac{1}{2}x^{-\frac{1}{2}}=\frac{1}{2\sqrt{x}} \quad (x>0),

x=4>0x=4>0 在可导范围内(x=0x=0 处这个式子没有意义,本题不涉及),代入:

k=124=14.k=\frac{1}{2\sqrt{4}}=\frac{1}{4}.

第三步:写点斜式。

y−2=14(x−4),y-2=\frac{1}{4}(x-4),

整理得

y=14x+1,y=\frac{1}{4}x+1,

即一般式

x−4y+4=0.x-4y+4=0.

核一遍:切点 (4,2)(4,2) 代入得 4−8+4=04-8+4=0,在切线上;x\sqrt{x} 是增函数,斜率应为正, 算得 14>0\dfrac{1}{4}>0,相符。再取一个近点粗核:4.41=2.1\sqrt{4.41}=2.1,而切线在 x=4.41x=4.41 处的值是 4.414+1=2.1025\dfrac{4.41}{4}+1=2.1025,两者相差 0.00250.0025——切线在切点附近确实很贴近曲线(“以直代曲”)。

这道题的关键动作:根式先改写成分数指数幂,否则 x\sqrt{x} 不在公式表里,无从下手。

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5.2 导数的运算

由导函数的定义可知,一个函数的导数是唯一确定的。在必修第一册中我们学过基本初等函数,并且知道,很多复杂的函数都是通过对这些函数进行加、减、乘、除等运算得到的。由此自然想到,能否先求出基本初等函数的导数,然后研究出导数的“运算法则”,这样就可以利用导数的运算法则和基本初等函数的导数求出复杂函数的导数。本节我们就来研究这些问题。

5.2.1 基本初等函数的导数

根据导数的定义,求函数 y=f(x)y = f(x) 的导数,就是求出当 Δx→0\Delta x \to 0 时, ΔyΔx\frac{\Delta y}{\Delta x} 无限趋近的那个定值。下面我们求几个常用函数的导数。

1. 函数 y=f(x)=cy = f(x) = c 的导数

因为

ΔyΔx=f(x+Δx)−f(x)Δx=c−cΔx=0,\frac {\Delta y}{\Delta x} = \frac {f (x + \Delta x) - f (x)}{\Delta x} = \frac {c - c}{\Delta x} = 0,

所以

y′=lim⁡Δx→0ΔyΔx=lim⁡Δx→00=0.y ^ {\prime} = \lim _ {\Delta x \to 0} \frac {\Delta y}{\Delta x} = \lim _ {\Delta x \to 0} 0 = 0.

图5.2-1

若 y=c (图 5.2-1)表示路程关于时间的函数,则 y′=0y'=0 可以解释为某物体的瞬时速度始终为 0,即一直处于静止状态.

2. 函数 y=f(x)=xy = f(x) = x 的导数

因为

ΔyΔx=f(x+Δx)−f(x)Δx=(x+Δx)−xΔx=1,\frac {\Delta y}{\Delta x} = \frac {f (x + \Delta x) - f (x)}{\Delta x} = \frac {(x + \Delta x) - x}{\Delta x} = 1,

所以

y′=lim⁡Δx→0ΔyΔx=lim⁡Δx→01=1.y ^ {\prime} = \lim _ {\Delta x \to 0} \frac {\Delta y}{\Delta x} = \lim _ {\Delta x \to 0} 1 = 1.

图5.2-2

若 y=x (图 5.2-2)表示路程关于时间的函数,则 y′=1y'=1 可以解释为某物体做瞬时速度为 1 的匀速直线运动.

  1. 函数 y=f(x)=x2y = f(x) = x^2 的导数

因为

ΔyΔx=f(x+Δx)−f(x)Δx=(x+Δx)2−x2Δx=x2+2x⋅Δx+(Δx)2−x2Δx=2x+Δx,\begin{array}{r l} \frac {\Delta y}{\Delta x} & = \frac {f (x + \Delta x) - f (x)}{\Delta x} = \frac {(x + \Delta x) ^ {2} - x ^ {2}}{\Delta x} \\ & = \frac {x ^ {2} + 2 x \cdot \Delta x + (\Delta x) ^ {2} - x ^ {2}}{\Delta x} \\ & = 2 x + \Delta x, \end{array}

所以

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

y′=2xy' = 2x 表示函数 y=x2y = x^2 的图象(图 5.2-3)上点(x,y)处切线的斜率为 2x,说明随着 x 的变化,切线的斜率也在变化。另一方面,从导数作为函数在一点的瞬时变化率来看,y′=2xy' = 2x 表明:当 x < 0 时,随着 x 的增加,∣y′∣|y'| 越来越小,y=x2y = x^2 减少得越来越慢;当 x > 0 时,随着 x 的增加,∣y′∣|y'| 越来越大,y=x2y = x^2 增加得越来越快。若 y=x2y = x^2 表示路程关于时间的函数,则 y′=2xy' = 2x 可以解释为某物体做变速运动,它在时刻 x 的瞬时速度为 2x。

图5.2-3

  1. 函数 y=f(x)=x3y = f(x) = x^3 的导数

因为

ΔyΔx=f(x+Δx)−f(x)Δx=(x+Δx)3−x3Δx=x3+3x2⋅Δx+3x⋅(Δx)2+(Δx)3−x3Δx=3x2+3x⋅Δx+(Δx)2,\begin{array}{r l} \frac {\Delta y}{\Delta x} & = \frac {f (x + \Delta x) - f (x)}{\Delta x} = \frac {(x + \Delta x) ^ {3} - x ^ {3}}{\Delta x} \\ & = \frac {x ^ {3} + 3 x ^ {2} \cdot \Delta x + 3 x \cdot (\Delta x) ^ {2} + (\Delta x) ^ {3} - x ^ {3}}{\Delta x} \\ & = 3 x ^ {2} + 3 x \cdot \Delta x + (\Delta x) ^ {2}, \end{array}

所以

y′=lim⁡Δx→0ΔyΔx=lim⁡Δx→0[3x2+3x⋅Δx+(Δx)2]=3x2.y ^ {\prime} = \lim _ {\Delta x \to 0} \frac {\Delta y}{\Delta x} = \lim _ {\Delta x \to 0} [ 3 x ^ {2} + 3 x \cdot \Delta x + (\Delta x) ^ {2} ] = 3 x ^ {2}.

y′=3x2y' = 3x^{2} 表示函数 y=x3y = x^{3} 的图象(图 5.2-4)上点 (x,y)(x, y) 处切线的斜率为 3x23x^{2} ,这说明随着 x 的变化,切线的斜率也在变化,且恒为非负数.

图5.2-4

  1. 函数 y=f(x)=1xy = f(x) = \frac{1}{x} 的导数

因为

ΔyΔx=f(x+Δx)−f(x)Δx=1x+Δx−1xΔx\frac {\Delta y}{\Delta x} = \frac {f (x + \Delta x) - f (x)}{\Delta x} = \frac {\frac {1}{x + \Delta x} - \frac {1}{x}}{\Delta x}

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

所以

y′=lim⁡Δx→0ΔyΔx=lim⁡Δx→0(−1x2+x⋅Δx)=−1x2.y ^ {\prime} = \lim _ {\Delta x \to 0} \frac {\Delta y}{\Delta x} = \lim _ {\Delta x \to 0} \left(- \frac {1}{x ^ {2} + x \cdot \Delta x}\right) = - \frac {1}{x ^ {2}}.

探究

画出函数 y=1xy = \frac{1}{x} 的图象。根据图象,描述它的变化情况,并求出曲线在点(1,1)处的切线方程。

6. 函数 y=f(x)=xy = f(x) = \sqrt{x} 的导数

因为

ΔyΔx=f(x+Δx)−f(x)Δx=x+Δx−xΔx=(x+Δx−x)(x+Δx+x)Δx(x+Δx+x)=1x+Δx+x,\begin{array}{r l} \frac {\Delta y}{\Delta x} & = \frac {f (x + \Delta x) - f (x)}{\Delta x} = \frac {\sqrt {x + \Delta x} - \sqrt {x}}{\Delta x} \\ & = \frac {(\sqrt {x + \Delta x} - \sqrt {x}) (\sqrt {x + \Delta x} + \sqrt {x})}{\Delta x (\sqrt {x + \Delta x} + \sqrt {x})} \\ & = \frac {1}{\sqrt {x + \Delta x} + \sqrt {x}}, \end{array}

所以

y′=lim⁡Δx→0ΔyΔx=lim⁡Δx→01x+Δx+x=12x.y ^ {\prime} = \lim _ {\Delta x \to 0} \frac {\Delta y}{\Delta x} = \lim _ {\Delta x \to 0} \frac {1}{\sqrt {x + \Delta x} + \sqrt {x}} = \frac {1}{2 \sqrt {x}}.

前面我们根据导数的定义求出了一些常用函数的导数. 一般地, 有下面的基本初等函数的导数公式表 (表 5.2-1), 这些公式可以直接使用.

例 1 求下列函数的导数:

(1) y=x23y = x^{\frac{2}{3}}; (2) y=log⁡2xy = \log_2 x.

解:(1) y′=(x23)′=23x23−1=23x−13y' = \left(x^{\frac{2}{3}}\right)' = \frac{2}{3} x^{\frac{2}{3} - 1} = \frac{2}{3} x^{-\frac{1}{3}};

(2) y′=(log⁡2x)′=1xln⁡2y' = (\log_2 x)' = \frac{1}{x \ln 2}.

例 2 假设某地在 20 年间的年均通货膨胀率为 5%,物价 p(单位:元)与时间 t(单位:年)之间的关系为

p(t)=p0(1+5%)t,p (t) = p _ {0} (1 + 5 \%) ^ {t},

其中 p0p_0 为 t=0t = 0 时的物价。假定某种商品的 p0=1p_0 = 1,那么在第10个年头,这种商品的价格上涨的速度大约是多少(精确到0.01元/年)?

解:根据基本初等函数的导数公式表,有

p′(t)=1.05tln⁡1.05.p ^ {\prime} (t) = 1. 0 5 ^ {t} \ln 1. 0 5.

?

所以

p′(10)=1.0510ln⁡1.05≈0.08.p ^ {\prime} (1 0) = 1. 0 5 ^ {1 0} \ln 1. 0 5 \approx 0. 0 8.

如果某种商品的 p0=5p_{0}=5 ,那么在第 10 个年头,这种商品的价格上涨的速度大约是多少?

所以,在第10个年头,这种商品的价格约以0.08元/年的速度上涨.

练习

  1. 求下列函数的导数: (1) y=1x4y=\frac{1}{x^{4}} ; (2) y=x43y=\sqrt[3]{x^{4}} ; (3) y=3xy=3^{x} ; (4) y=(12)xy=\left(\frac{1}{2}\right)^{x} ; (5) y=log⁡4xy=\log_{4}x ; (6) y=log⁡12xy=\log_{\frac{1}{2}}x .

  2. 求下列函数在给定点处的导数:

(1) y=x5y=x^{5} 在x=3处的导数;

(2) y=ln⁡xy = \ln x 在 x=23x = \frac{2}{3} 处的导数;

(3) y=sin⁡xy = \sin x 在 x=2πx = 2\pi 处的导数;

(4) y=exy=e^{x} 在x=0处的导数.

  1. 求余弦曲线 y=cos⁡xy = \cos x 在点 (π2,0)\left(\frac{\pi}{2}, 0\right) 处的切线方程.

  2. 求曲线 y=x12y = x^{\frac{1}{2}} 在点(4,2)处的切线方程.