借力打力求導數,如果一個函數不好求導,不妨先求它反函數的導數

2020-12-09 設計勞斯基

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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。

在對冪函數y=x^μ求導時,我們用到了以自然常數e為底數的對數函數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。

對數函數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數y=a^x的導數,(a^x)'=a^x*ln a。既然兩者互為正反函數,我們據此,來推導一下它們的導數之間的關係。

值得注意的一點是,對數函數y=log(a)x和指數函數y=a^x互為正反函數,是從它們的函數法則上講的。對於反函數y=log(a)x或f(x)=log(a)x,它的正函數(或直接函數)表達式應為:x=a^yg(y)=a^y。

設存在一個直接函數(或正函數)x=g(y)(導數已知)它的反函數為y=f(x)。

直接函數(或正函數)x=g(y)的導數g'(y)=△x/△y,而反函數y=f(x)的導數f'(x)=△y/△x。所以有f'(x)=1/g'(y)。也就是說,正反函數的導數互為倒數。

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

我們先對直接函數g(y)=a^y求導,得:g'(y)=a^y*ln a。

那麼,反函數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。

比較常見的正反函數還有三角函數和反三角函數。

我們以正弦函數和正切函數為例,來推導一下它們的反函數的導數。

先給出正弦函數y=sin x的導數f'(x)=cos x,正切函數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、設正弦函數x=sin y為直接函數,它的反函數為反正弦函數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)。

2、設正切函數x=tg y為直接函數,它的反函數為反正切函數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。

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?

對於反函數y=f(x)x是自變量,y是因變量;而對於直接函數(或正函數)x=g(y),y是自變量,x是因變量。但在計算過程中,自變量和因變量的身份已經不重要了,重要的是xy之間的函數法則不變。

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量x,但這樣的表達式也是成立的,因為它已經是一個微分方程了

無論原函數還是導函數,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數法則。

而我們要做的,是把它們轉換成我們需要的樣子。

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