证明引理
引理1(导数公式1):常数函数的导数处处为零。
证明: 设 f(x)=C 。
f′(x)=Δx→0limΔxf(x+Δx)−f(x) =Δx→0limΔxC−C=Δx→0limΔx0=0
引理2:部分三角函数和差化积公式
sinα−sinβ =sin(2α+β+2α−β)−sin(2α+β−2α−β)
=(sin(2α+β)cos(2α−β)+cos(2α+β)sin(2α−β))−
(sin(2α+β)cos(2α−β)−cos(2α+β)sin(2α−β))
=2cos(2α+β)sin(2α−β)
cosα−cosβ =cos(2α+β+2α−β)−cos(2α+β−2α−β)
=(cos(2α+β)cos(2α−β)−sin(2α+β)sin(2α−β))−
(cos(2α+β)cos(2α−β)+sin(2α+β)sin(2α−β))
=−2sin(2α+β)sin(2α−β)
引理3:部分等价无穷小
(1) sinx∼x(x→0)
(2) ex−1∼x(x→0)
(3) ln(1+x)∼x(x→0)
(1)的证明略去,(2)(3)的证明见以下文章:
null
引理4:导数的四则运算,设 u(x) 和 v(x) 可导。
(1)[u(x)±v(x)]′=u′(x)±v′(x)
(2)[cu(x)]′=cu′(x)
(3)[u(x)v(x)]′=u′(x)v(x)+u(x)v′(x)
(4) [v(x)u(x)]′=v2(x)u′(x)v(x)−u(x)v′(x)
(5) [v(x)1]′=v2(x)−v′(x)
证明:(1)(2)(3)请读者自行验证,下面我们证明在后文主要用到的(4)(5)
[v(x)u(x)]′=Δx→0limΔxv(x+Δx)u(x+Δx)−v(x)u(x) =Δx→0limΔxv(x+Δx)v(x)u(x+Δx)v(x)−u(x)v(x+Δx)
=Δx→0limΔxv(x+Δx)v(x)u(x+Δx)v(x)−u(x)v(x)−Δx→0limΔxv(x+Δx)v(x)v(x+Δx)u(x)−u(x)v(x)
=Δx→0limΔxu(x+Δx)−u(x)Δx→0limv(x+Δx)v(x)v(x)
−Δx→0limΔxv(x+Δx)−v(x)Δx→0limv(x+Δx)v(x)u(x)
=u′(x)v2(x)v(x)−v′(x)v2(x)u(x)
=v2(x)u′(x)v(x)−u(x)v′(x)
直接令 u(x)=1 即可得(5)
引理5:复合函数的导数,设 f(x) 和 g(x) 可导。
f(g(x))′=f′(g(x))g′(x)
证明:
f(g(x))′=limΔx→0Δxf(g(x+Δx))−f(g(x))
=Δx→0limg(x+Δx)−g(x)f(g(x+Δx))−f(g(x))Δx→0limΔxg(x+Δx)−g(x)
=f′(g(x))g′(x)
引理6:设 y=f(x) 在区间 [a,b] 上有反函数 x=g(y) ,且 f(x) 在 [a,b] 上的一点 x0 可导,且 f(x0)=y0。则若 f(x0)′=0 , g(y0)′=f(x0)′1 ,若f(x0)′=0 , g(y0)′=∞。
证明:记 Δy=f(x0+Δx)−f(x0)
g(y0)′=Δy→0limΔyg(y0+Δy)−g(y0)=Δy→0limy0+Δy−y0g(y0+Δy)−g(y0)
=Δx→0limf(x0+Δx)−f(x0)x0+Δx−x0=Δx→0limΔxf(x0+Δx)−f(x0)1
=f(x0)′1
导数公式
导数公式2: (xμ)′=μxμ−1
证法一:设 f(x)=xμ
f(x)′=Δx→0limΔx(x+Δx)μ−xμ=xμΔx→0limΔx(1+xΔx)μ−1 =xμΔx→0limΔxeμln(1+xΔx)−1=xμΔx→0limΔxμln(1+xΔx)
=μxμ−1Δx→0lim xΔxln(1+xΔx)
=μxμ−1
证法二:设 f(x)=xμ=eμlnx
根据复合函数求导法则: f(x)′=eμlnx(μlnx)′=xμxμ=μxμ−1
导数公式3: (sinx)′=cosx
证明:设 f(x)=sinx
f(x)′=Δx→0limΔxsin(x+Δx)−sin(x) =Δx→0limΔx2cos(22x+Δx)sin(2Δx)
=Δx→0limcos(22x+Δx)=cosx
导数公式4: (cosx)′=−sinx
证明:设 f(x)=cosx
f(x)′=Δx→0limΔxcos(x+Δx)−cos(x) =Δx→0limΔx−2sin(22x+Δx)sin(2Δx)
=Δx→0lim−sin(22x+Δx)=−sinx
导数公式5: (tanx)′=sec2x
证法一:设 f(x)=tanx
f(x)′=Δx→0limΔxtan(x+Δx)−tan(x) =Δx→0limΔxcos(x)cos(x+Δx)sin(x+Δx)cosx−sinxcos(x+Δx)
=Δx→0limΔxcos(x)cos(x+Δx)sin(Δx) =Δx→0limcos(x)cos(x+Δx)1
=cos2x1 =sec2x
证法二:设 f(x)=tanx=cosxsinx
f(x)′=cos2x(sinx)′cosx−(cosx)′sinx =cos2xcos2x+sin2x
=cos2x1 =sec2x
导数公式6: (cotx)′=−csc2x
证法一:设 f(x)=cotx
f(x)′=Δx→0limΔxcot(x+Δx)−cot(x) =Δx→0limΔxsin(x)sin(x+Δx)cos(x+Δx)sinx−cosxsin(x+Δx)
=Δx→0limΔxsin(x)sin(x+Δx)−sin(Δx) =Δx→0limsin(x)sin(x+Δx)−1
=−sin2x1 =−csc2x
证法二:设 f(x)=cotx=sinxcosx
f(x)′=sin2x(cosx)′sinx−(sinx)′cosx =sin2x−sin2x−cos2x
=−sin2x1 = −csc2x
导数公式7: (secx)′=tanxsecx
证法一:设 f(x)=secx
f(x)′=Δx→0limΔxsec(x+Δx)−sec(x)
=Δx→0limΔxcos(x+Δx)cos(x)cos(x)−cos(x+Δx)
=Δx→0limΔxcos(x+Δx)cos(x)2sin(22x+Δx)sin(2Δx)
=Δx→0limcos(x+Δx)cos(x)sin(22x+Δx)
=cos2xsinx=tanxsecx
证法二:设 f(x)=secx=cosx1
f(x)′=cos2x−(cosx)′=cos2xsinx=tanxsecx
导数公式8: (cscx)′=−cotxcscx
证明:设 f(x)=cscx
f(x)′=Δx→0limΔxcsc(x+Δx)−csc(x)
=Δx→0limΔxsin(x+Δx)sin(x)sin(x)−sin(x+Δx)
=Δx→0limΔxsin(x+Δx)sin(x)−2cos(22x+Δx)sin(2Δx)
=Δx→0limsin(x+Δx)sin(x)−cos(22x+Δx)
=sin2x−cosx=−cotxcscx
证法二:设 f(x)=cscx=sinx1
f(x)′=sin2x−(sinx)′=sin2x−cosx=−cotxcscx
导数公式9: (ax)′=axlna
证明:设 f(x)=ax
f(x)′=Δx→0limΔxax+Δx−ax=axΔx→0limΔxaΔx−1
=axΔx→0limΔxeΔxlna−1=axΔx→0limΔxΔxlna
=axlna
导数公式10: (ex)′=ex
证明:在导数公式9中令 a=e ,即证得。
导数公式11: (logax)′=xlna1
证明:设 f(x)=logax
f(x)′=Δx→0limΔxlogax+Δx−logax=Δx→0limΔxloga1+xΔx
=Δx→0limΔxlnaln(1+xΔx)=Δx→0limΔxlnaxΔx
=xlna1
导数公式12: (lnx)′=x1
证明:在导数公式1中令 a=e ,即证得。
导数公式13: (arcsinx)′=1−x21
证明:设 y=f(x)=arcsinx
f(x)′=sin(y)′1=cosy1 =1−sin2y1=1−x21
导数公式14: (arccosx)′=−1−x21
证法一:设 y=f(x)=arccosx
f(x)′=cos(y)′1=−siny1 =−1−cos2y1=−1−x21
证法二:
设 y=arcsinx,则 x=siny(−2π≤y≤2π) ,令 z=2π−y(0≤z≤π) ,所以有 cosz=siny=x , 因为 y,z 的取值范围与反三角函数的值域一致,所以有 z=arccosx, y=arcsinx,因此 arccosx=2π−arcsinx 。故 (arccosx)′=−(arcsinx)′=−1−x21 。
注:公式16和18也可用类似方法完成证明,由于不太常用,具体证明请读者自行完成。
导数公式15: (arctanx)′=1+x21
证明:设 y=f(x)=arctanx
f(x)′=tan(y)′1=cos2y=sin2y+cos2ycos2y
=tan2y+11=1+x21
导数公式16: (arccotx)′=1+x21
证明:设 y=f(x)=arccotx
f(x)′=cot(y)′1=−sin2y=−sin2y+cos2ysin2y
=−cot2y+11=−1+x21
导数公式17: (arcsecx)′=xx2−11
证明:设 y=f(x)=arcsecx
f(x)′=sec(y)′1=tanysecy1
=secysec2y−11=xx2−11
导数公式18: (arccscx)′=−xx2−11
证明:设 y=f(x)=arccscx
f(x)′=csc(y)′1=−cotycscy1
=−cscycsc2y−11=−xx2−11