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导数的计算

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导数的计算

作者:Eric 创建时间:2026-04-18 21:34

这篇记什么

  • 默认掌握基础导数计算方法
  • 考研重难点导数的计算方法以及必背公式

主要内容

必背公式

  1. 导数定义 f′(x0)=lim⁡Δx→0f(x0+Δx)−f(x0)Δx f'(x_0)=\lim_{\Delta x \to 0}\frac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x} f′(x0)=lim⁡x→x0f(x)−f(x0)x−x0 f'(x_0)=\lim_{x \to x_0}\frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0} 常结合极限的局部保号性来进行正负判断,如

    f′′(x0)=lim⁡x→x0f′(x)−f′(x0)x−x0<0f''(x_0)=\lim_{x \to x_0}\frac{f'(x)-f'(x_0)}{x-x_0}<0

    可推出,在去心领域 U˚(x0,δ)\mathring{U}(x_0,\delta) 中,有

    f′(x)−f′(x0)x−x0<0.\frac{f'(x)-f'(x_0)}{x-x_0}<0.
  2. 三角函数及相关特殊函数

函数导数函数导数
sin⁡x\sin xcos⁡x\cos xarcsin⁡x\arcsin x11−x2\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}}
cos⁡x\cos x−sin⁡x-\sin xarccos⁡x\arccos x−11−x2-\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}}
tan⁡x\tan xsec⁡2x\sec^2 xarctan⁡x\arctan x11+x2\dfrac{1}{1+x^2}
cot⁡x\cot x−csc⁡2x-\csc^2 xarccotx\text{arccot} x−11+x2-\dfrac{1}{1+x^2}
sec⁡x\sec xsec⁡xtan⁡x\sec x \tan xcsc⁡x\csc x−csc⁡xcot⁡x-\csc x \cot x
ln⁡ ⁣(x+x2+a2)\ln\!\left(x+\sqrt{x^2+a^2}\right)1x2+a2\dfrac{1}{\sqrt{x^2+a^2}}ln⁡ ⁣(x+x2−a2)\ln\!\left(x+\sqrt{x^2-a^2}\right)1x2−a2\dfrac{1}{\sqrt{x^2-a^2}}

分段函数的导数

  • 分段点 x0x_0 处使用导数定义求导,分别计算左右导数从而判定 x0x_0 处导数是否存在
  • 非分段点部分直接用导数公式求导,但需要写清楚范围!分段点包括无定义点、绝对值=0的点

反函数的导数

设 y=f(x)y=f(x) 为单调、可导函数,且 f′(x)≠0f'(x)\neq0 ,则存在反函数 x=ϕ(y)x=\phi(y)

  1. 一阶导数

    dxdy=1dydx\frac{dx}{dy}=\frac{1}{\frac{dy}{dx}}

    即,对原函数的导数取倒数

    ϕ′(y)=1f′(x)\phi'(y) = \frac{1}{f'(x)}
  2. 二阶导数(重点)

    记 f′(x)=yx′f'(x) = y_x' ,ϕ′(y)=xy′\phi'(y) = x_y',则由一阶导数结果

    yx′=1xy′y_x'=\frac{1}{x_y'}

    因此,

    yxx′′=d2ydx2=d(1xy′)dx=d(1xy′)dy⋅dydx=d(1xy′)dy⋅1xy′=−1xy′2⋅xyy′′⋅1xy′y_{xx}''=\frac{d^2y}{dx^2} = \frac{d(\frac{1}{x_y'})}{dx} = \frac{d(\frac{1}{x_y'})}{dy} \cdot \frac{dy}{dx} = \frac{d(\frac{1}{x_y'})}{dy} \cdot \frac{1}{x_y'}= -\frac{1}{{x_y'}^2}\cdot x_{yy}''\cdot\frac{1}{x_y'}

    即

    yxx′′=−xyy′′(xy′)3y_{xx}'' =-\frac{x_{yy}''}{(x_y')^3}

    反之,xx 和 yy 可以互调。

参数方程的导数

设函数 y=y(x)y=y(x) 由参数方程

{x=ϕ(t)y=ψ(t)\begin{cases} x=\phi(t) \\ y=\psi(t) \end{cases}

确定,且 ϕ(t)\phi(t),ψ(t)\psi(t) 均可导。

  1. 一阶导数

    dydx=dy/dtdx/dt=ψ′(t)ϕ′(t)\frac{dy}{dx} = \frac{dy/dt}{dx/dt} = \frac{\psi'(t)}{\phi'(t)}
  2. 二阶导数

    d2ydx2=d(dydx)/dtdx/dt=ψ′′(t)ϕ′(t)−ψ′(t)ϕ′′(t)[ϕ′(t)]3\frac{d^2y}{dx^2} = \frac{d(\frac{dy}{dx})/dt}{dx/dt} = \frac{\psi''(t)\phi'(t) - \psi'(t)\phi''(t)}{[\phi'(t)]^3}

    即

    d2ydx2=yt′′xt′−yt′xt′′(xt′)3\frac{d^2y}{dx^2} = \frac{y_t''x_t'-y_t'x_t''}{(x_t')^3}

高阶导数(重点)

必背公式:

  • (eax+b)(n)=aneax+b\left(e^{ax+b}\right)^{(n)}=a^n e^{ax+b}
  • [sin⁡(ax+b)](n)=ansin⁡(ax+b+nπ2)[\sin (ax+b)]^{(n)}=a^n\sin(ax+b+\frac{n\pi}{2})
  • [cos⁡(ax+b)](n)=ancos⁡(ax+b+nπ2)[\cos (ax+b)]^{(n)}=a^n\cos(ax+b+\frac{n\pi}{2}),同sinsin形式类似
  • [ln⁡(ax+b)](n)=(−1)n−1an(n−1)!(ax+b)n\left[\ln(ax+b)\right]^{(n)}=(-1)^{n-1}a^n\frac{(n-1)!}{(ax+b)^n}
  • (1ax+b)(n)=(−1)nann!(ax+b)n+1\left(\frac{1}{ax+b}\right)^{(n)}=(-1)^n a^n\frac{n!}{(ax+b)^{n+1}},可理解为1a[ln⁡(ax+B)](n+1)\frac{1}{a}[\ln(ax+B)]^{(n+1)}
  • 重点中的重点(其他可推): eax+be^{ax+b}、sin(ax+b)sin(ax+b)、ln⁡(ax+b)\ln(ax+b)

求解方法:

  1. 归纳法

    先求多几阶导数,观察有没有 阶乘、n次方、不变项 之类的东西,总结规律。

  2. 莱布尼兹公式(求两函数乘积形式的高阶导数)

    (uv)(n)=∑k=0nCnk u(n−k)v(k)(uv)^{(n)}=\sum_{k=0}^{n}C_{n}^{k}\,u^{(n-k)}v^{(k)}

    重点是找到两部分中哪一部分 ( v ) 拥有 导数=0 的项,因为该项之后的都必为0。

    以求 (xex)(n)(xe^x)^{(n)} 为例子

    (xex)(n)=∑k=0nCnk x(n−k)(ex)(k)=Cnnxex+Cn n−1ex=(Cnnx+Cnn−1)ex=(x+n)ex(xe^x)^{(n)}=\sum_{k=0}^{n} C_n^k\,x^{(n-k)}(e^x)^{(k)}=C_n^n x e^x + C_n^{\,n-1}e^x=(C_n^n x + C_n^{n-1})e^x=(x+n)e^x
  3. 泰勒展开法(求某特定点上的高阶导数)

    使用常用函数的泰勒展开式([[常用泰勒展开式]])将 f(x)f(x) 中的某部分展开到第 NN 项,化简后写成 mm 的形式。然后与 f(x)f(x) 泰勒展开式的标准形式对比(比对含 xx 项),求出 mm 与 nn 的关系式,最后反解出 f(x)f(x) 的高阶导数。

    f(x)f(x) 的泰勒展开式:

    f(x)=∑n=0∞f(n)(0)n!xnf(x) = \sum_{n=0}^{\infty}\frac{f^{(n)}(0)}{n!}x^n

    求f(x)=x2ln⁡(1−x)f(x)=x^2\ln(1-x),在n≥3n \ge 3时,f(n)(0)f^{(n)}(0)的值

    f(x)=x2ln⁡(1−x)=x2⋅∑m=1∞(−1)m−1⋅(−1)mxm)m=−∑m=0∞xm+3m+1f(x)=x^2\ln(1-x)=x^2\cdot\sum_{m=1}{\infty}(-1)^{m-1}\cdot\frac{(-1)^mx^m)}{m}=-\sum_{m=0}^{\infty}\frac{x^{m+3}}{m+1}

    与 f(x)=∑n=0∞f(n)(0)n!xnf(x) = \sum_{n=0}^{\infty}\frac{f^{(n)}(0)}{n!}x^n 比较 xx 项的系数,有 n=m+3n=m+3 ,所以

    f(n)(0)n!=−1m+1=−1n−2\frac{f^{(n)}(0)}{n!}=-\frac{1}{m+1}=-\frac{1}{n-2}

    化简得

    f(n)(0)=−n!n−2f^{(n)}(0)=-\frac{n!}{n-2}

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