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和差积商 · 复合

基本求导公式与运算法则

逐个用定义式算导数很快就不划算:f(x)=x5sinxf(x) = x^5 \sin x 的平均变化率展开后有六项,化简过程与 x5x^5sinx\sin x 各自的导数没有直接关系。求导法则把这类计算拆开——先记住几个基本初等函数的导数,再用几条法则组合。这套办法能覆盖高中范围内几乎全部初等函数。

1 · 基本初等函数的导数

函数 导函数 备注
f(x)=cf(x) = c f(x)=0f'(x) = 0 常数函数的图象是水平直线
f(x)=xαf(x) = x^\alpha f(x)=αxα1f'(x) = \alpha x^{\alpha - 1} α\alpha 为实数,xx 取使两侧都有意义的值
f(x)=sinxf(x) = \sin x f(x)=cosxf'(x) = \cos x 弧度制下成立
f(x)=cosxf(x) = \cos x f(x)=sinxf'(x) = -\sin x 多出的负号来自余弦的减少
f(x)=axf(x) = a^x f(x)=axlnaf'(x) = a^x \ln a a>0a > 0a1a \ne 1
f(x)=exf(x) = e^x f(x)=exf'(x) = e^x lne=1\ln e = 1,导函数与原函数相同
f(x)=logaxf(x) = \log_a x f(x)=1xlnaf'(x) = \dfrac{1}{x \ln a} x>0x > 0
f(x)=lnxf(x) = \ln x f(x)=1xf'(x) = \dfrac{1}{x} 同上取 a=ea = e

幂函数一栏把整数、分数、负数指数统一了:x=x1/2\sqrt{x} = x^{1/2} 的导数是 12x1/2=12x\frac{1}{2}x^{-1/2} = \frac{1}{2\sqrt{x}}1x=x1\frac{1}{x} = x^{-1} 的导数是 x2-x^{-2}。这两个式子在 x0+x \to 0^+ 处都发散,正对应 x\sqrt{x} 在原点切线竖直、1x\frac{1}{x} 在原点附近陡到无界。

ee 这个底数的特殊之处也在表里:axa^x 的导数带一个因子 lna\ln a,只有 a=ea = e 时这个因子恰为 11。指数函数中唯有 exe^x 的导函数是它自己。

2 · 四则运算的求导法则

定理 2.1u=u(x)u = u(x)v=v(x)v = v(x) 均可导,则

(u±v)=u±v,(uv)=uv+uv,(uv)=uvuvv2    (v0)(u \pm v)' = u' \pm v', \qquad (uv)' = u'v + uv', \qquad \left(\frac{u}{v}\right)' = \frac{u'v - uv'}{v^2} \;\; (v \ne 0)

和差一栏形式上最简单,积与商都不是。(uv)=uv+uv(uv)' = u'v + uv' 里两项各保留一个未求导的因子,而 (uv)=uv(uv)' = u'v' 这个想当然的写法立刻被反例否掉:取 u=v=xu = v = x,左端 (x2)=2x(x^2)' = 2x,右端 11=11 \cdot 1 = 1。商的法则里分子是减号且次序固定,uvuvu'v - uv'uvuvuv' - u'v 相差一个符号。

常数倍是积法则的特例:(cu)=cu+cu=cu(cu)' = c'u + cu' = cu',因为 c=0c' = 0。多项式的求导由此逐项进行,(3x45x+2)=12x35(3x^4 - 5x + 2)' = 12x^3 - 5

图 2-1 · 两个基本初等函数按四条法则合成,右侧给出法则算出的导函数与中心差商的逐点对照。可切换 uuvv 与运算,移动核对点 xx 观察两列数值以及积的常见误用 uvu'v' 差多少。

3 · 复合函数与链式法则

y=sin(2x+1)y = \sin(2x + 1) 不是基本初等函数,它由 y=sinuy = \sin uu=2x+1u = 2x + 1 复合而成。

定理 3.1(链式法则)y=f(u)y = f(u)u=g(x)u = g(x) 都可导,则复合函数 y=f(g(x))y = f(g(x)) 可导,且 y=f(g(x))g(x)y' = f'(g(x)) \cdot g'(x),即 dydx=dydududx\frac{dy}{dx} = \frac{dy}{du} \cdot \frac{du}{dx}

莱布尼茨记号在链式法则上最见长:形式上像两个分数相乘,dudu 上下约去。y=sin(2x+1)y = \sin(2x + 1) 的导数因此是 cos(2x+1)2\cos(2x+1) \cdot 2,末尾那个 22 是内层函数的导数,漏掉它是最常见的错误。y=ex2y = e^{x^2} 同理得 2xex22x e^{x^2}y=ln(3x1)y = \ln(3x - 1)33x1\frac{3}{3x - 1}

例 3.1y=sinxxy = \frac{\sin x}{x}y=x2+1y = \sqrt{x^2 + 1} 的导数。前者用商法则:y=cosxxsinx1x2=xcosxsinxx2y' = \frac{\cos x \cdot x - \sin x \cdot 1}{x^2} = \frac{x\cos x - \sin x}{x^2}。后者用链式法则,外层是 u\sqrt{u}、内层是 u=x2+1u = x^2 + 1y=12x2+12x=xx2+1y' = \frac{1}{2\sqrt{x^2+1}} \cdot 2x = \frac{x}{\sqrt{x^2+1}}

4 · 用差商核对法则

本系列的单测不把求导结果写成常量,而是让 combine 按法则现算——积走 uv+uvu'v + uv'、复合走 u(v)vu'(v) \cdot v'——再用中心差商当 oracle 逐点核对。这样验的是法则本身:若积法则写错成 uvu'v',五对函数里必有一对在某个采样点上过不去。

核对里有两处要留一手。其一,商在分母接近零处差商本身就不可靠,sinxlnx\frac{\sin x}{\ln x}xx 靠近 11 时分母趋零,此处跳过不比;其二,复合函数的定义域约束落在内层的函数值上而不是 xx 上,ln(x2)\ln(x^2)x=2x = -2 处有定义,按外层的定义域 (0,+)(0, +\infty) 直接筛 xx 会把它误判为无定义。

注 · 把合成式回显成可读的表达式时,最初的写法是对外层解析式做字符串替换,把字面的 x 换成内层表达式。这个做法在 exe^xx\sqrt{x} 上直接失效:这两个记号里的自变量分别写在上标与根号下,源串中根本没有一个字面的 x 可替换,替换结果是原样的 exe^x。现在每个样本自带一个 sub(inner) 模板,e^(x²) 这类回显由模板拼出,正确性也进了单测。

5 · 参考文献

  1. Differentiation rules. Wikipedia. 基本导数表与和差积商法则的完整清单。https://en.wikipedia.org/wiki/Differentiation_rules
  2. Product rule. Wikipedia. 积法则的证明与常见误用。https://en.wikipedia.org/wiki/Product_rule
  3. Quotient rule. Wikipedia. 商法则的推导,以及由积法则加链式法则重新得到它的路径。https://en.wikipedia.org/wiki/Quotient_rule
  4. Chain rule. Wikipedia. 链式法则的表述、莱布尼茨记号的写法与多层复合。https://en.wikipedia.org/wiki/Chain_rule