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第二章 导数与微分 ​

考试大纲 ​

  1. 理解导数和微分的概念,理解导数与微分的关系
  2. 理解导数的几何意义,会求平面曲线的切线方程和法线方程
  3. 理解函数的可导性与连续性之间的关系
  4. 掌握导数的四则运算法则和复合函数的求导法则
  5. 掌握基本初等函数的导数公式
  6. 了解微分的四则运算法则和一阶微分形式的不变性
  7. 会求函数的微分
  8. 了解高阶导数的概念,会求简单函数的高阶导数
  9. 会求分段函数的导数,会求隐函数和由参数方程所确定的函数的导数
  10. 会求反函数的导数

核心知识点 ​

1. 导数的定义 ​

设函数 y=f(x)y = f(x) 在点 x0x_0 的某个邻域内有定义,当自变量 xx 在 x0x_0 处取得增量 Δx\Delta x(点 x0+Δxx_0 + \Delta x 仍在该邻域内)时,相应地函数取得增量 Δy=f(x0+Δx)−f(x0)\Delta y = f(x_0 + \Delta x) - f(x_0)。

如果 Δy\Delta y 与 Δx\Delta x 之比当 Δx→0\Delta x \to 0 时的极限存在,则称函数 y=f(x)y = f(x) 在点 x0x_0 处可导,并称这个极限为函数 y=f(x)y = f(x) 在点 x0x_0 处的导数,记为:

f′(x0)=lim⁡Δx→0ΔyΔx=lim⁡Δx→0f(x0+Δx)−f(x0)Δxf'(x_0) = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{\Delta y}{\Delta x} = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{f(x_0 + \Delta x) - f(x_0)}{\Delta x}

也可记作:y′∣x=x0\left. y' \right|_{x=x_0},dydx∣x=x0\left. \frac{dy}{dx} \right|_{x=x_0},df(x)dx∣x=x0\left. \frac{df(x)}{dx} \right|_{x=x_0}

单侧导数 ​

  • 左导数:f−′(x0)=lim⁡Δx→0−f(x0+Δx)−f(x0)Δxf'_-(x_0) = \lim_{\Delta x \to 0^-} \frac{f(x_0 + \Delta x) - f(x_0)}{\Delta x}
  • 右导数:f+′(x0)=lim⁡Δx→0+f(x0+Δx)−f(x0)Δxf'_+(x_0) = \lim_{\Delta x \to 0^+} \frac{f(x_0 + \Delta x) - f(x_0)}{\Delta x}

函数在一点可导的充要条件: 左导数和右导数都存在且相等。


2. 导数的几何意义 ​

函数 y=f(x)y = f(x) 在点 x0x_0 处的导数 f′(x0)f'(x_0) 在几何上表示曲线 y=f(x)y = f(x) 在点 M(x0,f(x0))M(x_0, f(x_0)) 处的切线的斜率,即:

k=tan⁡α=f′(x0)k = \tan \alpha = f'(x_0)

其中 α\alpha 是切线的倾角。

  • 切线方程:y−y0=f′(x0)(x−x0)y - y_0 = f'(x_0)(x - x_0)
  • 法线方程:y−y0=−1f′(x0)(x−x0)y - y_0 = -\frac{1}{f'(x_0)}(x - x_0)(f′(x0)≠0f'(x_0) \neq 0)

3. 可导与连续的关系 ​

定理: 如果函数 y=f(x)y = f(x) 在点 xx 处可导,则函数在该点必连续。

注意: 反之不成立!函数在某点连续不一定可导。

经典反例: y=∣x∣y = |x| 在 x=0x = 0 处连续但不可导(左导数为 −1-1,右导数为 11)。


4. 基本初等函数的导数公式 ​

函数导数函数导数
(C)′(C)'00(xμ)′(x^\mu)'μxμ−1\mu x^{\mu-1}
(sin⁡x)′(\sin x)'cos⁡x\cos x(cos⁡x)′(\cos x)'−sin⁡x-\sin x
(tan⁡x)′(\tan x)'sec⁡2x\sec^2 x(cot⁡x)′(\cot x)'−csc⁡2x-\csc^2 x
(sec⁡x)′(\sec x)'sec⁡xtan⁡x\sec x \tan x(csc⁡x)′(\csc x)'−csc⁡xcot⁡x-\csc x \cot x
(ax)′(a^x)'axln⁡aa^x \ln a(ex)′(e^x)'exe^x
(log⁡ax)′(\log_a x)'1xln⁡a\frac{1}{x \ln a}(ln⁡x)′(\ln x)'1x\frac{1}{x}
(arcsin⁡x)′(\arcsin x)'11−x2\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}(arccos⁡x)′(\arccos x)'−11−x2-\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}
(arctan⁡x)′(\arctan x)'11+x2\frac{1}{1+x^2}(arccot x)′(\text{arccot } x)'−11+x2-\frac{1}{1+x^2}

5. 求导法则 ​

四则运算法则 ​

设 u=u(x)u = u(x),v=v(x)v = v(x) 都可导,则:

  1. (u±v)′=u′±v′(u \pm v)' = u' \pm v'
  2. (Cu)′=Cu′(Cu)' = Cu'(CC 是常数)
  3. (uv)′=u′v+uv′(uv)' = u'v + uv'
  4. (uv)′=u′v−uv′v2\left(\frac{u}{v}\right)' = \frac{u'v - uv'}{v^2}(v≠0v \neq 0)

复合函数求导法则(链式法则) ​

如果 u=g(x)u = g(x) 在点 xx 可导,而 y=f(u)y = f(u) 在点 u=g(x)u = g(x) 可导,则复合函数 y=f[g(x)]y = f[g(x)] 在点 xx 可导,且其导数为:

dydx=f′(u)⋅g′(x)=dydu⋅dudx\frac{dy}{dx} = f'(u) \cdot g'(x) = \frac{dy}{du} \cdot \frac{du}{dx}

反函数求导法则 ​

如果函数 x=f(y)x = f(y) 在区间 IyI_y 内单调、可导且 f′(y)≠0f'(y) \neq 0,则它的反函数 y=f−1(x)y = f^{-1}(x) 在区间 Ix={x∣x=f(y),y∈Iy}I_x = \{x | x = f(y), y \in I_y\} 内也可导,且:

[f−1(x)]′=1f′(y)或dydx=1dxdy[f^{-1}(x)]' = \frac{1}{f'(y)} \quad \text{或} \quad \frac{dy}{dx} = \frac{1}{\frac{dx}{dy}}

隐函数求导法则 ​

对于由方程 F(x,y)=0F(x, y) = 0 确定的隐函数 y=y(x)y = y(x),将 yy 看作 xx 的函数,对方程两边关于 xx 求导,然后解出 dydx\frac{dy}{dx}。

参数方程求导法则 ​

设参数方程 {x=φ(t)y=ψ(t)\begin{cases} x = \varphi(t) \\ y = \psi(t) \end{cases},若 φ(t)\varphi(t) 和 ψ(t)\psi(t) 都可导,且 φ′(t)≠0\varphi'(t) \neq 0,则:

dydx=dydtdxdt=ψ′(t)φ′(t)\frac{dy}{dx} = \frac{\frac{dy}{dt}}{\frac{dx}{dt}} = \frac{\psi'(t)}{\varphi'(t)}


6. 高阶导数 ​

函数 y=f(x)y = f(x) 的导数 y′=f′(x)y' = f'(x) 仍然是 xx 的函数。我们把 y′=f′(x)y' = f'(x) 的导数叫做函数 y=f(x)y = f(x) 的二阶导数,记作:

y′′=(y′)′=ddx(dydx)=d2ydx2y'' = (y')' = \frac{d}{dx}\left(\frac{dy}{dx}\right) = \frac{d^2y}{dx^2}

类似地,二阶导数的导数称为三阶导数,n−1n-1 阶导数的导数称为 nn 阶导数,分别记作:

y′′′,y(4),⋯ ,y(n)y''', \quad y^{(4)}, \quad \cdots, \quad y^{(n)}

或

d3ydx3,d4ydx4,⋯ ,dnydxn\frac{d^3y}{dx^3}, \quad \frac{d^4y}{dx^4}, \quad \cdots, \quad \frac{d^ny}{dx^n}

常见函数的高阶导数 ​

函数nn 阶导数
(ex)(n)(e^x)^{(n)}exe^x
(sin⁡x)(n)(\sin x)^{(n)}sin⁡(x+n⋅π2)\sin\left(x + n \cdot \frac{\pi}{2}\right)
(cos⁡x)(n)(\cos x)^{(n)}cos⁡(x+n⋅π2)\cos\left(x + n \cdot \frac{\pi}{2}\right)
(xm)(n)(x^m)^{(n)}m(m−1)⋯(m−n+1)xm−nm(m-1)\cdots(m-n+1)x^{m-n}(n≤mn \leq m)
(ln⁡x)(n)(\ln x)^{(n)}(−1)n−1(n−1)!xn(-1)^{n-1}\frac{(n-1)!}{x^n}

7. 微分 ​

设函数 y=f(x)y = f(x) 在某区间内有定义,x0x_0 及 x0+Δxx_0 + \Delta x 在这区间内,如果函数的增量 Δy=f(x0+Δx)−f(x0)\Delta y = f(x_0 + \Delta x) - f(x_0) 可表示为:

Δy=AΔx+o(Δx)\Delta y = A \Delta x + o(\Delta x)

其中 AA 是不依赖于 Δx\Delta x 的常数,则称函数 y=f(x)y = f(x) 在点 x0x_0 是可微的,而 AΔxA \Delta x 叫做函数 y=f(x)y = f(x) 在点 x0x_0 相应于自变量增量 Δx\Delta x 的微分,记作 dydy,即:

dy=AΔxdy = A \Delta x

可微与可导的关系: 函数 f(x)f(x) 在点 x0x_0 可微的充分必要条件是函数 f(x)f(x) 在点 x0x_0 可导,且当 f(x)f(x) 在点 x0x_0 可微时,其微分一定是:

dy=f′(x0)Δxdy = f'(x_0) \Delta x

通常把自变量 xx 的增量 Δx\Delta x 称为自变量的微分,记作 dxdx,即 dx=Δxdx = \Delta x。于是:

dy=f′(x)dxdy = f'(x) dx

从而 dydx=f′(x)\frac{dy}{dx} = f'(x),导数也叫做微商。


典型例题 ​

例题 1:复合函数求导 ​

求 y=ln⁡sin⁡xy = \ln \sin \sqrt{x} 的导数。

解:

设 y=ln⁡uy = \ln u,u=sin⁡vu = \sin v,v=xv = \sqrt{x},则:

dydx=dydu⋅dudv⋅dvdx=1u⋅cos⁡v⋅12x\frac{dy}{dx} = \frac{dy}{du} \cdot \frac{du}{dv} \cdot \frac{dv}{dx} = \frac{1}{u} \cdot \cos v \cdot \frac{1}{2\sqrt{x}}

=1sin⁡x⋅cos⁡x⋅12x=cot⁡x2x= \frac{1}{\sin \sqrt{x}} \cdot \cos \sqrt{x} \cdot \frac{1}{2\sqrt{x}} = \boxed{\frac{\cot \sqrt{x}}{2\sqrt{x}}}

例题 2:隐函数求导 ​

求由方程 ey+xy−e=0e^y + xy - e = 0 所确定的隐函数 yy 的导数 dydx\frac{dy}{dx}。

解:

方程两边对 xx 求导,注意 yy 是 xx 的函数:

eydydx+y+xdydx=0e^y \frac{dy}{dx} + y + x \frac{dy}{dx} = 0

解得:

dydx=−yx+ey(x+ey≠0)\frac{dy}{dx} = \boxed{-\frac{y}{x + e^y}} \quad (x + e^y \neq 0)

例题 3:参数方程求导 ​

设 {x=acos⁡3ty=asin⁡3t\begin{cases} x = a \cos^3 t \\ y = a \sin^3 t \end{cases},求 dydx\frac{dy}{dx} 和 d2ydx2\frac{d^2y}{dx^2}。

解:

dxdt=−3acos⁡2tsin⁡t,dydt=3asin⁡2tcos⁡t\frac{dx}{dt} = -3a \cos^2 t \sin t, \quad \frac{dy}{dt} = 3a \sin^2 t \cos t

dydx=dydtdxdt=3asin⁡2tcos⁡t−3acos⁡2tsin⁡t=−tan⁡t\frac{dy}{dx} = \frac{\frac{dy}{dt}}{\frac{dx}{dt}} = \frac{3a \sin^2 t \cos t}{-3a \cos^2 t \sin t} = \boxed{-\tan t}

d2ydx2=ddx(dydx)=ddt(−tan⁡t)⋅dtdx=−sec⁡2t⋅1dxdt\frac{d^2y}{dx^2} = \frac{d}{dx}\left(\frac{dy}{dx}\right) = \frac{d}{dt}(-\tan t) \cdot \frac{dt}{dx} = -\sec^2 t \cdot \frac{1}{\frac{dx}{dt}}

=−sec⁡2t⋅1−3acos⁡2tsin⁡t=13acos⁡4tsin⁡t= -\sec^2 t \cdot \frac{1}{-3a \cos^2 t \sin t} = \boxed{\frac{1}{3a \cos^4 t \sin t}}

例题 4:分段函数求导 ​

设 f(x)={x2sin⁡1x,x≠00,x=0f(x) = \begin{cases} x^2 \sin \frac{1}{x}, & x \neq 0 \\ 0, & x = 0 \end{cases},求 f′(x)f'(x)。

解:

当 x≠0x \neq 0 时:

f′(x)=2xsin⁡1x+x2cos⁡1x⋅(−1x2)=2xsin⁡1x−cos⁡1xf'(x) = 2x \sin \frac{1}{x} + x^2 \cos \frac{1}{x} \cdot \left(-\frac{1}{x^2}\right) = \boxed{2x \sin \frac{1}{x} - \cos \frac{1}{x}}

当 x=0x = 0 时,用定义求导:

f′(0)=lim⁡x→0f(x)−f(0)x−0=lim⁡x→0x2sin⁡1xx=lim⁡x→0xsin⁡1x=0f'(0) = \lim_{x \to 0} \frac{f(x) - f(0)}{x - 0} = \lim_{x \to 0} \frac{x^2 \sin \frac{1}{x}}{x} = \lim_{x \to 0} x \sin \frac{1}{x} = \boxed{0}

(因为 ∣xsin⁡1x∣≤∣x∣→0\left| x \sin \frac{1}{x} \right| \leq |x| \to 0)


易错点提醒 ​

常见错误

  1. 复合函数求导漏层

    • 错误:[sin⁡(2x)]′=cos⁡(2x)[\sin(2x)]' = \cos(2x)
    • 正确:[sin⁡(2x)]′=cos⁡(2x)⋅2=2cos⁡(2x)[\sin(2x)]' = \cos(2x) \cdot 2 = 2\cos(2x)
  2. 幂指函数求导错误

    • 对于 y=u(x)v(x)y = u(x)^{v(x)},应先取对数:ln⁡y=v(x)ln⁡u(x)\ln y = v(x) \ln u(x),再求导
    • 错误:[xx]′=x⋅xx−1=xx[x^x]' = x \cdot x^{x-1} = x^x
    • 正确:[xx]′=xx(ln⁡x+1)[x^x]' = x^x (\ln x + 1)
  3. 分段函数在分段点直接代入公式

    • 错误:直接对分段点两侧分别求导后相等就认为可导
    • 正确:必须用定义求分段点的导数,或验证左右导数
  4. 参数方程求二阶导数时忘记除以 dxdt\frac{dx}{dt}

    • 错误:d2ydx2=ddt(dydx)\frac{d^2y}{dx^2} = \frac{d}{dt}\left(\frac{dy}{dx}\right)
    • 正确:d2ydx2=ddt(dydx)⋅dtdx\frac{d^2y}{dx^2} = \frac{d}{dt}\left(\frac{dy}{dx}\right) \cdot \frac{dt}{dx}

本章小结 ​

  1. 深刻理解导数的定义及其几何意义
  2. 熟练掌握基本初等函数的导数公式
  3. 掌握复合函数、隐函数、参数方程的求导法则
  4. 理解可导与连续、可微与可导的关系
  5. 会求简单函数的高阶导数

下一章预告: 积分学——导数的逆运算

考研加油!