Примеры применения формулы производной сложной функции
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:
y ′x = y ′u ⋅ u ′x.
Или так:
( f (x)) ′ = (g(u(x))) ′ ≡ (g(u)) ′x = (g(u)) ′u ⋅ u ′x.
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 ⋅ u ′x = 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 ⋅ u ′x = 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:
( e u ) ′u = e u.
Применяем формулу производной сложной функции:
y ′(x) = ( e –x 2 ) ′ = ( e u ) ′x = ( e u ) ′u ⋅ u ′x = e u ⋅ ( –x 2 ) ′ = e u ⋅ (–2x) = –2xe –x 2.
Здесь u = –x 2.
Ответ
y ′ = –2xe –x 2.
Более сложные примеры
Все примерыВ 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  ) ′uu ′x = ( u 1 / 2 ) ′u( x 2 + a 2 ) ′ = 12 u 12 – 1 ⋅ 2x =
xu –1 / 2 = x√ u  = x√ x 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 + x√ x 2 + a 2  = x + √ x 2 + a 2 √ x 2 + a 2 .
Еще раз применяем правило дифференцирования сложной функции.
y ′ = ( ln( x + √ x 2 + a 2  ) ) ′ = (ln v) ′x = (ln v) ′v ⋅ v ′x = 1v ⋅ ( x + √ x 2 + a 2  ) ′ =
1x + √ x 2 + a 2  ⋅ x + √ x 2 + a 2 √ x 2 + a 2  = 1√ x 2 + a 2 .
Здесь v = x + √ x 2 + a 2 .
Ответ
y ′ = 1√ x 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 ⋅ u ′x = 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 ⋅ v ′x = 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 ⋅ w ′x = 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 ⋅ z ′x = 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: