Методы решения физико-математических задач

Примеры применения формулы производной сложной функции

Примеры применения формулы производной сложной функции
Приводятся примеры вычисления производных сложных функций.

Формула производной сложной функции

Если функцию y =  f (x) можно представить как сложную:
 f (x) = g(u(x)),
то ее производная определяется по формуле производной сложной функции:
dydx = dydu ⋅ dudx.
Ее можно записать в нескольких вариантах, например:
yx = yu ⋅ ux.
Или так:
( f (x)) = (g(u(x))) ≡ (g(u))x = (g(u))u ⋅ ux.
где u = u(x).
Здесь нижние индексы u или x, под знаком производной, обозначают переменные, по которой выполняется дифференцирование. Для функций  f , g, u в этом нет необходимости, поскольку по умолчанию дифференцирование выполняется по аргументу. Для переменной y нижний индекс необходим, поскольку ее можно выразить как через x, так и через u:
y =  f (x) = g(u).

Обычно, в таблицах производных аргумент функции обозначают буквой x. Однако x – это формальный параметр. Обозначение x можно заменить любой буквой или символом. Поэтому, при дифференцировании функции, зависящей от переменной u, мы просто меняем, в таблице производных, x на u.

Примеры

Все примеры

Далее рассмотрены примеры решений производной сложной функции.
Простые примеры.
y = sin 3 x   y = sin 5x   y = e –x 2
Более сложные примеры
y = ln(x + x 2 + a 2)   y = ln( ln 2( ln 2 x))

Простые примеры

Пример 1

Все примеры

Найти производную сложной функции
y = sin 3 x.

Решение

Запишем заданную функцию в эквивалентном виде:
y(x) = (sin x) 3.
В таблице производных находим:
(sin x) = cos x;
(u 3)u = 3u 3 – 1 = 3u 2.

По формуле производной сложной функции имеем:
y = ( (sin x) 3) = (u 3)x =(u 3)u ⋅ ux = 3u 3 – 1 (sin x) = 3u 2 cos x = 3 sin 2 x cos x.
Здесь u = sin x.

Ответ

y = 3 sin 2 x cos x.

Пример 2

Все примеры

Найти производную
y = sin 5x.

Решение

Выносим постоянную 5 за знак производной и из таблицы производных находим:
(5x) = 5(x) = 5(x 1) = 5 ⋅ 1 ⋅ x 1 – 1 = 5x 0 = 5 ⋅ 1 = 5.

Применяем формулу производной сложной функции:
y = (sin 5x) = (sin u)x = (sin u)u ⋅ ux = cos u ⋅ (5x) = cos 5x ⋅ 5 = 5 cos 5x.
Здесь u = 5x.

Ответ

y = 5 cos 5x.

Пример 3

Все примеры

Найдите производную
y = e –x 2.

Решение

Выносим постоянную –1 за знак производной и из таблицы производных находим:
( –x 2) = ( –1 ⋅ x 2) = –1 ⋅ (x 2) = –1 ⋅ 2x 2 – 1 = –2x 1 = –2x;
Из таблицы производных находим:
(eu)u = eu.

Применяем формулу производной сложной функции:
y(x) = (e –x 2) = (eu)x =(eu)u ⋅ ux = eu ⋅ ( –x 2) =eu ⋅ (–2x) = –2xe –x 2.
Здесь u = –x 2.

Ответ

y = –2xe –x 2.

Более сложные примеры

Все примеры

В более сложных примерах мы применяем правило дифференцирования сложной функции несколько раз. При этом мы вычисляем производную с конца. То есть разбиваем функцию на составные части и находим производные самых простых частей, используя таблицу производных. Также мы применяем правила дифференцирования суммы, произведения и дроби. Затем делаем подстановки и применяем формулу производной сложной функции.

Пример 4

Все примеры

Найдите производную
y = ln(x + x 2 + a 2).

Решение

Выделим самую простую часть формулы и найдем ее производную. (x 2 + a 2) = (x 2) + (x 2) = 2x + 0 = 2x.

Применяем правило дифференцирования сложной функции.
(x 2 + a 2) = (u)x =(u)uux = (u 1 / 2)u(x 2 + a 2) =12 u12 – 1 ⋅ 2x =
xu –1 / 2 = xu = xx 2 + a 2.
Здесь мы использовали обозначение
u = x 2 + a 2.

Находим производную следующей части исходной функции, применяя полученные результаты. Применяем правило дифференцирования суммы:
(x + x 2 + a 2) = (x) + (x 2 + a 2) = 1 + xx 2 + a 2 = x + x 2 + a 2x 2 + a 2.

Еще раз применяем правило дифференцирования сложной функции.
y = ( ln(x + x 2 + a 2)) = (ln v)x = (ln v)v ⋅ vx =1v ⋅ (x + x 2 + a 2) =
1x + x 2 + a 2 ⋅ x + x 2 + a 2x 2 + a 2 =1x 2 + a 2.
Здесь v = x + x 2 + a 2.

Ответ

y = 1x 2 + a 2.

Пример 5

Все примеры

Найдите производную функции
y = ln( ln 2( ln 2 x)).

Решение

Выделим самую простую часть формулы и из таблицы производных найдем ее производную. ( ln x) = 1x.

Применяем правило дифференцирования сложной функции.
( ln 2 x) ≡ ( (ln x) 2) = (u 2)x =(u 2)u ⋅ ux = 2u ⋅ ( ln x) = 2 ln x ⋅ 1x = 2 ln xx.
Здесь
u = ln x.

Дифференцируем следующую часть, применяя полученные результаты.
( ln( ln 2 x)) = ( ln(v))x =( ln(v))v ⋅ vx = 1v ⋅ ( ln 2 x) =1ln 2 x ⋅ 2 ln xx = 2x ln x.
Здесь
v = ln 2 x.

Дифференцируем следующую часть.
( ln 2( ln 2 x)) ≡(( ln( ln 2 x)) 2) = (w 2)x =(w 2)w ⋅ wx = 2w ⋅ ( ln( ln 2 x)) =
 2 ln( ln 2 x) ⋅ 2x ln x = 4 ln( ln 2 x)x ln x.
Здесь
w = ln( ln 2 x).

Теперь находим производную искомой функции.
y = ( ln( ln 2( ln 2 x))) =( ln z)x = ( ln z)z ⋅ zx =1z ⋅ ( ln 2( ln 2 x)) =
1ln 2( ln 2 x) ⋅ 4 ln( ln 2 x)x ln x =4x ⋅ ln x ⋅ ln( ln 2 x).
Здесь
z = ln 2( ln 2 x).

Ответ

y = 4x ⋅ ln x ⋅ ln( ln 2 x).

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:

Меню