Производные элементарных функций. Доказательство теоремы
Теорема. Производные элементарных функций
Элементарные функции, перечисленные ниже, каждая на своей области определения, имеют производные, которые определяются по приведенным ниже формулам.1) (C) ′ = 0, где C – постоянная, C = const; ⇓
2) (a x) ′ = a x ⋅ ln a, a > 0, a ∈ R; ⇓
3) (e x) ′ = e x; ⇓
4.1) (loga x) ′ = 1x ln a, a > 0, a ≠ 1, x > 0; ⇓
4.2) (loga | x | ) ′ = 1x ln a, a > 0, a ≠ 1, x ≠ 0; ⇓
5.1) (ln x) ′ = 1x, x > 0; ⇓
5.2) (ln | x | ) ′ = 1x, x ≠ 0; ⇓
6) (x a) ′ = ax a – 1, a ∈ R, x > 0; ⇓
7) (x n) ′ = nx n – 1, n ∈ N, n > 1, x ∈ R; ⇓
8) (x) ′ = 1, x ∈ R; ⇓
9) (sin x) ′ = cos x, (cos x) ′ = –sin x; ⇓
10) (tg x) ′ = 1cos 2 x, (ctg x) ′ = – 1sin 2 x; ⇓
11) (arcsin x) ′ = 1√ 1 – x 2 , (arccos x) ′ = – 1√ 1 – x 2 ; ⇓
12) (arctg x) ′ = 11 + x 2, (arcctg x) ′ = – 11 + x 2; ⇓
13) (sh x) ′ = ch x, (ch x) ′ = sh x; ⇓
14) (th x) ′ = 1ch 2 x, (cth x) ′ = – 1sh 2 x; ⇓
15) (arsh x) ′ = 1√ x 2 + 1 , (arch x) ′ = 1√ x 2 – 1 ; ⇓
16) (arth x) ′ = 11 – x 2, (arcth x) ′ = – 1x 2 – 1. ⇓
Доказательство
Все, что нам требуется сделать – это вычислить предел:
(1) f  ′(x) = limΔx → 0 f (x + Δx) – f (x)Δx,
где f (x) – одна из элементарных функций. Заметим, что функция за знаком предела зависит от двух переменных, x и Δx:
(2) f (x + Δx) – f (x)Δx = F(x, Δx).
Сама элементарная функция f (x) и ее производная f  ′(x) зависят только от одной переменной x. Функция F(x, Δx), определяемая по формуле (2), зависит от двух переменных. Но при вычислении производной, мы считаем, что переменная x принимает произвольное фиксированное значение, принадлежащее области определения функции. То есть мы считаем, что x является постоянной. Таким образом мы вычисляем предел от функции одной переменной:
(3) φ(Δx) = F(x, Δx), где x = const.
Для вычислений таких пределов нам нужно знать свойства элементарных функций. Они приводятся в разделе «Основные элементарные функции и их свойства». Доказательство свойств приводится в разделе «Непрерывность функций». Также нам нужно уметь вычислять пределы. Применяемые при этом методы изложены в разделе «Методы вычисления пределов функций и раскрытия неопределенностей». И наконец, нужно знать правила вычисления производных. См. «Правила дифференцирования».
1) Производная постоянной функции
Докажем, что производная постоянной функции равна нулю:
(C) ′ = 0, где C – постоянная, C = const.
Пусть f (x) = C – постоянная функция. Ее значения определены для всех x и не зависят от переменной x. Поэтому
φ(Δx) = f (x + Δx) – f (x)Δx = C – CΔx = 0, при Δx ≠ 0.
Таким образом, функция φ(Δx) определена для всех значений переменной Δx, кроме точки Δx = 0. Она является постоянной, равной нулю, φ(Δx) = 0, на всей области определения – то есть в любой проколотой окрестности точки Δx = 0. Тогда согласно теореме о пределе постоянной функции,
(C) ′ = limΔx → 0 φ(Δx) = 0.
2) Производная показательной функции
Докажем, что производная показательной функции пропорциональна самой функции:
(a x) ′ = a x ⋅ ln a, a > 0, a ∈ R.
Воспользуемся свойствами показательной функции:
a x + Δx – a x = a x ⋅ a Δx – a x = a x (a Δx – 1).
Применим следствие второго замечательного предела, согласно которому limΔx → 0 a Δx – 1Δx = ln a:
(a x) ′ = limΔx → 0 a x + Δx – a xΔx = limΔx → 0( a x ⋅ a Δx – 1Δx ) = a x ⋅ limΔx → 0 a Δx – 1Δx = a x ⋅ ln a.
Здесь мы также воспользовались арифметическими свойствами предела функции.
3) Производная экспоненты
Докажем, что производная экспоненты равна самой экспоненте:
(e x) ′ = e x.
Для доказательства, подставим в формулу производной показательной функции, значение основания степени, равного числу e. Также воспользуемся тем, что ln e ≡ loge e = 1:
(e x) ′ = e x ⋅ ln e = e x ⋅ 1 = e x.
Среди всех показательных функций (с различными значениями основания a), производная экспоненты имеет наиболее простой вид. Многие вычисления в математическом анализе оказываются более простыми, если в качестве основания показательной функции использовать число e. Поэтому в математическом анализе, показательную функцию стремятся привести к основанию e, то есть к экспоненте.
4.1) Производная логарифма
Докажем, что
(loga x) ′ = 1x ln a, a > 0, a ≠ 1, x > 0.
Воспользуемся свойствами логарифма:
loga (x + Δx) – loga x = loga x + Δxx = loga ( 1 + Δxx ).
Преобразуем отношение приращения функции к приращению ее аргумента:
loga (x + Δx) – loga xΔx = loga ( 1 + Δxx )Δx = 1x ⋅ loga ( 1 + Δxx )Δx / x.
Сделаем подстановку t = Δx / x, и применим следствие второго замечательного предела, согласно которому limt → 0 loga (1 + t)t = 1ln a:
(loga x) ′ = limΔx → 0 loga (x + Δx) – loga xΔx = limΔx → 0(  1x ⋅ loga ( 1 + Δxx )Δx / x ) =
limt → 0(  1x ⋅ loga (1 + t)t ) = 1x ⋅ limt → 0 loga (1 + t)t = 1x ⋅ 1ln a = 1x ln a.
Здесь мы также воспользовались арифметическими свойствами предела функции.
4.2) Производная логарифма модуля
Докажем часто используемую формулу:
(loga | x | ) ′ = 1x ln a, a > 0, a ≠ 1, x ≠ 0.
Рассмотрим функцию f (x) = loga | x | как сложную, составленную из двух функций:
f (x) = g(t(x)), g(t) = loga t, t = t(x) = | x | .
Найдем производную модуля x.
При x > 0, t(x) = | x | = x; t ′(x) = limΔx → 0 x + Δx – xΔx = limΔx → 0 ΔxΔx = 1.
При x < 0, t(x) = | x | = –x; t ′(x) = –limΔx → 0 x + Δx – xΔx = –limΔx → 0 ΔxΔx = –1.
Тогда t ′(x) = ( | x | ) ′ = | x | x, x ≠ 0.
Применяем формулу производной сложной функции:
(loga | x | ) ′ = g ′t(t) ⋅ t ′x(x) = 1t ln a ⋅  | x | x = 1 | x | ln a ⋅  | x | x = 1x ln a.
5) Производная натурального логарифма
Натуральный логарифм – это логарифм с основанием, равным числу e. Подставляя в формулы 4.1) и 4.2) a=e, имеем:
(ln x) ′ = 1x ln e = 1x ⋅ 1 = 1x, x > 0;
(ln | x | ) ′ = 1x ln e = 1x ⋅ 1 = 1x, x ≠ 0.
6) Производная степенной функции
Докажем, что
(x a) ′ = ax a – 1, a ∈ R, x > 0.
Для доказательства, представим степенную функцию как сложную, составленную из экспоненты и натурального логарифма:
f (x) = x a = (e ln x) a = e a ln x;
или f (x) = g(t(x)), g(t) = e t, t = t(x) = a ln x.
Применяем правило дифференцирования сложной функции:
f  ′(x) = g ′t(t) ⋅ t ′x(x) = (e t) ′t ⋅ (a ln x) ′x = e t ⋅ a(ln x) ′x = ae t ⋅ 1x =
ae a ln x ⋅ 1x = a(e ln x) a ⋅ 1x = ax a ⋅ 1x = ax a – 1.
Здесь мы воспользовались свойствами степенной функции и правилом вынесения постоянной за знак производной, согласно которому (a ln x) ′ = a(ln x) ′.
7) Производная степенной функции с натуральным показателем степени
В предыдущем пункте мы считали, что показатель степени a является действительным числом, а переменная x больше нуля. Но если a является натуральным (a = 1, 2, 3,...), то степенная функция определена для всех действительных x. Докажем, что и в этом случае, производная степенной функции определяется по той же формуле, что и для действительных значений показателя степени:
(x n) ′ = nx n – 1, n ∈ N, n > 1, x ∈ R.
Случай линейной функции с n = 1 рассмотрен ниже, поскольку при x = 0 и n = 1, приведенная формула приводит к неопределенному значению 0 0.
Пусть x ≠ 0, n > 1. Используем формулу бинома Ньютона:
(a + b) n = a n + na n – 1 b + n!2!(n – 2)! a n – 2 b 2 + ⋅ ⋅ ⋅.
Тогда (x + Δx) n = x n + nx n – 1 Δx + o(Δx),
где o(Δx) = n!2!(n – 2)! x n – 2 (Δx) 2 + n!3!(n – 3)! x n – 3 (Δx) 3 + ⋅ ⋅ ⋅.
(x n) ′ = limΔx → 0 (x + Δx) n – x nΔx = limΔx → 0 x n + nx n – 1 Δx + o(Δx) – x nΔx =
limΔx → 0 nx n – 1 Δx + o(Δx)Δx = limΔx → 0( nx n – 1 + o(Δx)Δx ) =
nx n – 1 + limΔx → 0 o(Δx)Δx = nx n – 1 + 0 = nx n – 1.
Выше мы предполагали, что x ≠ 0, n > 1. Теперь рассмотрим случай x = 0, n > 1.
(x n) ′|x = 0 = limΔx → 0(  (x + Δx) n – x nΔx |x = 0 ) = limΔx → 0 (0 + Δx) n – 0 nΔx =
limΔx → 0(Δx) n – 1 = 0 n – 1 = 0 = n ⋅ 0 n – 1.
Таким образом и при x ≠ 0, и при x = 0, производная определяется по одной и той же формуле: (x n) ′ = nx n – 1.
8) Производная линейной функции
Докажем, что производная линейной функции f (x) = x равна единице:
(x) ′ = 1, x ∈ R.
(x) ′ = limΔx → 0 x + Δx – xΔx = limΔx → 0 ΔxΔx.
Функция φ(Δx) = ΔxΔx определена для всех значений аргумента, кроме точки Δx = 0. При Δx ≠ 0, φ(Δx) = 1, то есть является постоянной. Применяем теорему о пределе постоянной функции:
(x) ′ = limΔx → 0 ΔxΔx = 1.
9) Производные синуса и косинуса
Докажем, что производная синуса равна косинусу:
(sin x) ′ = cos x.
Преобразуем приращение функции синус, применяя формулы тригонометрии:
cos Δx – 1 = 1 – 2 sin 2 Δx2 – 1 = –2 sin 2 Δx2;
sin(x + Δx) – sin x = sin x cos Δx + cos x sin Δx – sin x =
sin x(cos Δx – 1) + cos x sin Δx = –2 sin x sin 2 Δx2 + cos x sin Δx.
Выписываем отношение приращения функции синус к приращению ее аргумента и выполняем преобразования:
sin(x + Δx) – sin xΔx = –2 sin x sin 2 Δx2Δx + cos x sin ΔxΔx =
–sin x ⋅ Δx2 ⋅ ( sin Δx2Δx2 ) 2 + cos x sin ΔxΔx.
Применяем арифметические свойства предела функции и первый замечательный предел: (sin x) ′ = limΔx → 0 sin(x + Δx) – sin xΔx =
–sin x ⋅ ( limΔx → 0 Δx2  ) ⋅ ( limΔx → 0 sin Δx2Δx2  ) 2 + cos x ⋅ limΔx → 0 sin ΔxΔx =
–sin x ⋅ 0 ⋅ 1 2 + cos x ⋅ 1 = cos x.
Аналогичным образом докажем, что производная косинуса равна минус синусу:
(cos x) ′ = –sin x.
cos Δx – 1 = 1 – 2 sin 2 Δx2 – 1 = –2 sin 2 Δx2;
cos(x + Δx) – cos x = cos x cos Δx – sin x sin Δx – cos x =
cos x(cos Δx – 1) – sin x sin Δx = –2 cos x sin 2 Δx2 – sin x sin Δx;
cos(x + Δx) – cos xΔx = –2 cos x sin 2 Δx2Δx – sin x sin ΔxΔx =
–cos x ⋅ Δx2 ⋅ ( sin Δx2Δx2 ) 2 – sin x sin ΔxΔx;
(cos x) ′ = limΔx → 0 cos(x + Δx) – cos xΔx =
–cos x ⋅ ( limΔx → 0 Δx2  ) ⋅ ( limΔx → 0 sin Δx2Δx2  ) 2 – sin x ⋅ limΔx → 0 sin ΔxΔx =
–cos x ⋅ 0 ⋅ 1 2 – sin x ⋅ 1 = –sin x.
10) Производные тангенса и котангенса
Докажем формулы производных тангенса и котангенса:
(tg x) ′ = 1cos 2 x, (ctg x) ′ = – 1sin 2 x.
Для доказательства выразим эти функции через синус и косинус (см. «Тангенс и котангенс – свойства, графики, формулы»). Далее применим формулу производной дроби.
При cos x ≠ 0 имеем:
(tg x) ′ = ( sin xcos x ) ′ = (sin x) ′ cos x – sin x(cos x) ′cos 2 x =
cos x ⋅ cos x + sin x ⋅ sin xcos 2 x = cos 2 x + sin 2 xcos 2 x = 1cos 2 x.
При sin x ≠ 0 имеем:
(ctg x) ′ = ( cos xsin x ) ′ = (cos x) ′ sin x – cos x(sin x) ′sin 2 x =
–sin x ⋅ sin x – cos x ⋅ cos xsin 2 x = – sin 2 x + cos 2 xsin 2 x = – 1sin 2 x.
11) Производные арксинуса и арккосинуса
Докажем формулу производной арксинуса:
(arcsin x) ′ = 1√ 1 – x 2 .
Арксинус является функцией, обратной к синусу. При – π2 ≤ y ≤ π2 и –1 ≤ x ≤ 1 имеют место следующие соотношения (см. «Арксинус, арккосинус – свойства, графики, формулы»):
y = arcsin x, x = sin y.
Производную синуса мы знаем:
dxdy = (sin y) ′y = cos y.
Применяем теорему о производной обратной функции:
(arcsin x) ′ = dydx = 1dxdy = 1cos y.
Используем соотношение: cos 2 y + sin 2 y = 1. Отсюда cos y = ± √ 1 – (sin y) 2 . Поскольку при – π2 ≤ y ≤ π2, cos y ≥ 0, то
cos y = + √ 1 – (sin y) 2  = √ 1 – x 2 . Тогда
(arcsin x) ′ = 1cos y = 1√ 1 – x 2 .
Аналогичным способом докажем формулу производной арккосинуса:
(arccos x) ′ = – 1√ 1 – x 2 .
При 0 ≤ y ≤ π и –1 ≤ x ≤ 1 имеем:
y = arccos x, x = cos y;
dxdy = (cos y) ′y = –sin y;
(arccos x) ′ = dydx = 1dxdy = – 1sin y.
Поскольку при 0 ≤ y ≤ π, sin y ≥ 0, то
sin y = + √ 1 – (cos y) 2  = √ 1 – x 2 . Тогда
(arccos x) ′ = – 1sin y = – 1√ 1 – x 2 .
Заметим, что формулу для арккосинуса можно было доказать, используя формулу:
arcsin x + arccos x = π2.
12) Производные арктангенса и арктангенса
Докажем формулу производной арктангенса:
(arctg x) ′ = 11 + x 2.
Арктангенс является функцией, обратной к тангенсу. При – π2 < y < π2 и –∞ < x < +∞ имеют место следующие соотношения (см. «Арктангенс, арккотангенс – свойства, графики, формулы»):
y = arctg x, x = tg y.
Производную тангенса мы знаем:
dxdy = (tg y) ′y = 1cos 2 y.
Применяем теорему о производной обратной функции:
(arctg x) ′ = dydx = 1dxdy = cos 2 y.
Используем соотношение: cos 2 y + sin 2 y = 1. Тогда
1(arctg x) ′ = 1cos 2 y = cos 2 y + sin 2 ycos 2 y = 1 + ( sin ycos y ) 2 = 1 + (tg y) 2 = 1 + x 2;
(arctg x) ′ = 11 + x 2.
Аналогичным способом докажем формулу производной арккотангенса:
(arcctg x) ′ = – 11 + x 2.
При 0 < y < π и –∞ < x < +∞ имеем:
y = arcctg x, x = ctg y;
dxdy = (ctg y) ′y = – 1sin 2 y;
(arcctg x) ′ = dydx = 1dxdy = –sin 2 y;
1(arcctg x) ′ = – 1sin 2 y = – sin 2 + cos 2 ysin 2 y = –1 – ( cos ysin y ) 2 =
–1 – (ctg y) 2 = –1 – x 2;
(arcctg x) ′ = – 11 + x 2.
Формулу для арккотангенса также можно доказать, используя соотношение:
arctg x + arcctg x = π2.
13) Производные гиперболического синуса и гиперболического косинуса
Докажем, что производная гиперболического синуса равна гиперболическому косинусу:
(sh x) ′ = ch x.
Согласно определению гиперболического синуса,
sh x = 12 (e x – e –x).
Применяем правила дифференцирования:
(sh x) ′ = 12 ((e x) ′ – (e –x) ′) = 12 ( e x – de (–x)d(–x) ⋅ d(–x)dx ) = 12 ( e x – e –x ⋅ (–1) ) =
12 (e x + e –x) = ch x.
Аналогичным образом доказываем, что производная гиперболического косинуса равна гиперболическому синусу:
(ch x) ′ = sh x.
Согласно определению гиперболического косинуса,
ch x = 12 (e x + e –x).
Применяем правила дифференцирования:
(ch x) ′ = 12 ((e x) ′ + (e –x) ′) = 12 ( e x + de (–x)d(–x) ⋅ d(–x)dx ) = 12 ( e x + e –x ⋅ (–1) ) =
12 (e x – e –x) = sh x.
14) Производные гиперболического тангенса и гиперболического котангенса
Докажем формулы производных гиперболического тангенса и гиперболического котангенса:
(th x) ′ = 1ch 2 x, (ctg x) ′ = – 1sh 2 x.
Для доказательства выразим эти функции через гиперболические синус и косинус (см. «Определения гиперболических функций»), и применим формулу производной дроби.
(th x) ′ = ( sh xch x ) ′ = (sh x) ′ ch x – sh x(ch x) ′ch 2 x =
ch x ⋅ ch x – sh x ⋅ sh xcos 2 x = ch 2 x – sh 2 xch 2 x = 1ch 2 x.
При x ≠ 0 имеем:
(cth x) ′ = ( ch xsh x ) ′ = (ch x) ′ sh x – ch x(sh x) ′sh 2 x =
sh x ⋅ sh x – ch x ⋅ ch xsin 2 x = – ch 2 x – sh 2 xsh 2 x = – 1sh 2 x.
15) Производные гиперболического арксинуса и гиперболического арккосинуса
Докажем формулу производной гиперболического арксинуса:
(arsh x) ′ = 1√ x 2 + 1 .
Для этого воспользуемся свойствами обратных гиперболических функций. Для действительных x и y имеют место следующие соотношения:
y = arsh x, x = sh y.
Производную гиперболического синуса мы знаем:
dxdy = (sh y) ′y = ch y.
Применяем теорему о производной обратной функции:
(arsh x) ′ = dydx = 1dxdy = 1ch y.
Используем соотношение: ch 2 y – sh 2 y = 1. Отсюда ch y = ± √ 1 + (sh y) 2 . Поскольку ch y ≥ 1, то
ch y = + √ 1 + (sh y) 2  = √ 1 + x 2 . Тогда
(arsh x) ′ = 1ch y = 1√ 1 + x 2 .
Аналогичным способом докажем формулу производной гиперболического арккосинуса:
(arch x) ′ = 1√ x 2 – 1 .
При y ≥ 0 и x ≥ 1 имеем:
y = arch x, x = ch y;
dxdy = (ch y) ′y = sh y;
(arch x) ′ = dydx = 1dxdy = 1sh y.
Поскольку при y ≥ 0, sh y ≥ 0, то
sh y = + √ (ch y) 2 – 1  = √ x 2 – 1 . Тогда
(arch x) ′ = 1sh y = 1√ x 2 – 1 .
16) Производные гиперболического арктангенса и гиперболического арктангенса
Докажем формулу производной гиперболического арктангенса:
(arth x) ′ = 11 – x 2.
Гиперболический арктангенс является функцией, обратной к гиперболическому тангенсу. При –∞ < y < +∞ и –1 < x < 1 имеют место следующие соотношения (см. «Обратные гиперболические функции, их графики и формулы»):
y = arth x, x = th y.
Производную гиперболического тангенса мы знаем:
dxdy = (th y) ′y = 1ch 2 y.
Применяем теорему о производной обратной функции:
(arth x) ′ = dydx = 1dxdy = ch 2 y.
Используем соотношение: ch 2 y – sh 2 y = 1. Тогда
1(arth x) ′ = 1ch 2 y = ch 2 y – sh 2 ych 2 y = 1 – ( sh ych y ) 2 = 1 – (th y) 2 = 1 – x 2;
(arth x) ′ = 11 – x 2.
Аналогичным способом докажем формулу производной гиперболического арккотангенса:
(arcth x) ′ = – 1x 2 – 1.
При y ≠ 0 и | x | > 1 имеем:
y = arcth x, x = cth y;
dxdy = (cth y) ′y = – 1sh 2 y;
(arcth x) ′ = dydx = 1dxdy = –sh 2 y;
1(arcth x) ′ = – 1sh 2 y = – ch 2 y – sh 2 ysh 2 y = – ( ch ysh y ) 2 + 1 =
– (cth y) 2 + 1 = –x 2 + 1;
(arcth x) ′ = – 1x 2 – 1.
Теорема доказана.
Автор: Олег Одинцов. Опубликовано: