借力打力求導數,如果一個函式不好求導,不妨先求它反函式的導數

本篇是上一篇文章

為了打通微積分的“任督二脈”,讓我們來愉快地求導數吧

的延續閱讀。

在對冪函式

y=x^μ

求導時,我們用到了以自然常數

e

為底數的對數函式

y=ln x

的求導結果

(ln x)'=1/x。

那麼,它的求導過程是怎麼樣的呢?我們一起來了解一下。

對數函式

y=log(a)x

直接求導是很難實現的,因為

[log(a)(x+h)-log(a)x]

沒法繼續合併或分解。但前文中,我們已經求得了指數函式

y=a^x

的導數,

(a^x)'=a^x*ln a。

既然兩者互為正反函式,我們據此,來推導一下它們的導數之間的關係。

借力打力求導數,如果一個函式不好求導,不妨先求它反函式的導數

值得注意的一點是,對數函式

y=log(a)x

和指數函式

y=a^x

互為正反函式,是從它們的函式法則上講的。對於反函式

y=log(a)x或f(x)=log(a)x,

它的正函式(或直接函式)表示式應為:

x=a^y

g(y)=a^y。

設存在一個直接函式(或正函式)

x=g(y)

(導數已知)

它的反函式為

y=f(x)。

直接函式(或正函式)

x=g(y)

的導數

g'(y)=△x/△y

,而反函式

y=f(x)

的導數

f'(x)=△y/△x。

所以有

f'(x)=1/g'(y)。

也就是說,

正反函式的導數互為倒數。

導數是需要極限運算的,上式中的g‘(y)和f’(x)略去了極限字元lim,但這不影響兩者的互為倒數關係。

我們先對直接函式

g(y)=a^y

求導,得:

g'(y)=a^y*ln a。

那麼,反函式

f(x)=log(a)x

的導數

f'(x)=1/(a^y*ln a)。

再把

x=a^y

代入上式,得:

f'(x)=1/(x*ln a),

記作

(log(a)x)'=1/(x*ln a)。

a=e

,(ln x)'=1/x。

比較常見的正反函式還有三角函式和反三角函式。

我們以正弦函式和正切函式為例,來推導一下它們的反函式的導數。

先給出正弦函式y=sin x的導數f‘(x)=cos x,正切函式y=tg x的導數f’(x)=sec^2 x。在後面的文章裡我們會再做推導,歡迎關注閱讀。

1、

設正弦函式

x=sin y

為直接函式,它的反函式為反正弦函式

y=arc sin x

。略過對定義域的討論,我們直接推導:

(arc sin x)'=1/(sin y)'=1/cos y。

接下來,我們把餘弦

cos y

轉換成正弦

sin y,

並進一步轉換成

x。

因為,

cos y=√(1-sin^2y)=√(1-x^2),

所以有,

(arc sin x)'=√(1-x^2)。

借力打力求導數,如果一個函式不好求導,不妨先求它反函式的導數

2、

設正切函式

x=tg y

為直接函式,它的反函式為反正切函式

y=arc tg x

。略過對定義域的討論,我們直接推導:

(arc tg x)'=1/(tg y)'=1/sec^2 y。

接下來,我們把正割

sec y

轉換成正切

tg y,

並進一步轉換成

x。

因為,

sec^2 y=1+tg^2 y=1+x^2,

所以有,

(arc tg x)'=1+x^2。

借力打力求導數,如果一個函式不好求導,不妨先求它反函式的導數

看到此處,有的小夥伴可能會產生一些困惑:怎麼一會

y,

一會

x

的,鬧哪樣啊?

對於反函式

y=f(x)

x

是自變數,

y

是因變數;而對於直接函式(或正函式)

x=g(y),y

是自變數,

x

是因變數。但在計算過程中,自變數和因變數的身份已經不重要了,重要的是

x

y

之間的函式法則不變。

比如,上面的等式

(arc sin x)'=1/cos y,

我們用

y'

來替代

f'(x),

y'=f'(x)=(arc sin x)'。

可以得到一個新的等式:

y'=1/cos y

。等式裡已經看不到自變數

x,

但這樣的表示式也是成立的,因為它已經是一個微分方程了

無論原函式還是導函式,我們都可以把它看作是一個方程式。式中,無論

x、y、x'、y'、dy、 dx

,都是可以同時存在的,只要它們遵循正確的函式法則。

而我們要做的,是把它們轉換成我們需要的樣子。