Методы решения физико-математических задач

Вычисление производных степенно-показательных функций

Производная степенно-показательной функции
Определение степенно-показательной функции. Вывод формулы для вычисления ее производной. Подробно разобраны примеры вычисления производных степенно-показательных функций.

Определение и формулы

Степенно-показательная функция
– это функция, имеющая вид степенной функции
y = uv,
у которой основание u и показатель степени v являются некоторыми функциями от переменной x:
u = u(x);   v = v(x).
Эту функцию также называют показательно-степенной или сложной показательной функцией.
()( \newcommand{\ctg}{\mathop{\mathrm{ctg}}\nolimits} )()

Заметим, что степенно-показательную функцию можно представить в показательном виде:
u v = ( e ln u ) v = e v ln u.
Поэтому ее также называют сложной показательной функцией.

Далее мы покажем, что производная степенно-показательной функции определяется по формуле:
(1)   ( u v ) ′ = vu v – 1 u ′ + u v v ′ ln u.

Производная степенно-показательной функции

Вычисление с помощью логарифмической производной

Найдем производную степенно-показательной функции
(2)   y = u v,
где u и v есть функции от переменной x.
Для этого логарифмируем уравнение (2), используя свойство логарифма:
ln y = ln u v = v ln u.
Дифференцируем по переменной x:
(3)   (ln y) ′ = (v ln u) ′.
Применяем правила дифференцирования сложной функции и произведения:
(ln y) ′ ≡ (ln y) ′x = (ln y) ′y ⋅ y ′x = 1y ⋅ y ′ = y ′y;
(v ln u) ′ = v ′ ln u + v (ln u) ′ = v ′ ln u + v u ′u.

Подставляем в (3):
y ′y = v ′ ln u + v u ′u.
Отсюда
y ′ = y ⋅ ( v ′ ln u + v u ′u ) = u v ⋅ ( v ′ ln u + v u ′u ) = u v v ′ ln u + vu v – 1 u ′.

Итак, мы нашли производную степенно-показательной функции:
(1)   y ′ = vu v – 1 u ′ + u v v ′ ln u.
Если показатель степени v являются постоянной, то v ′ = 0. Тогда производная равна производной сложной степенной функции:
y ′ = vu v – 1 u ′.
Если основание степени u являются постоянной, то u ′ = 0. Тогда производная равна производной сложной показательной функции:
y ′ = u v v ′ ln u.
Когда u и v являются функциями от x, то производная степенно-показательной функции равна сумме производных сложной степенной и показательной функций.

Вычисление производной приведением к сложной показательной функции

Теперь найдем производную степенно-показательной функции
(2)   y = u v,
представив ее как сложную показательную функцию:
(4)   u v = e v ln u.

Дифференцируем произведение:
(v ln u) ′ = v ′ ln u + v (ln u) ′ = v ′ ln u + v u ′u.
Применяем правило нахождения производной сложной функции:
y ′ = ( u v ) ′ = ( e v ln u ) ′ = ( e z ) ′x = ( e z ) ′z ⋅ z ′x = e z ⋅ (v ln u) ′ = e v ln u ⋅ ( v ′ ln u + v u ′u  ) =
 u v ⋅ ( v ′ ln u + v u ′u  ) = u v v ′ ln u + vu v – 1 u ′.
И мы снова получили формулу (1).

Примеры

Все примеры

Далее мы рассмотрим два примера вычисления производной степенно-показательной функции.
y = x sin x   y = (ctg x) cos x

Пример 1

Все примеры

Найти производную следующей функции:
y = x sin x.

Решение

Вычисляем с помощью логарифмической производной. Логарифмируем исходную функцию:
(П1.1)   ln y = ln x sin x = sin x ⋅ ln x.

Из таблицы производных находим:
(sin x) ′ = cos x;
(ln x) ′ = 1x.
По формуле производной произведения имеем:
(sin x ⋅ ln x) ′ = (sin x) ′ ⋅ ln x + sin x ⋅ (ln x) ′ = cos x ⋅ ln x + sin x ⋅ 1x.
Дифференцируем (П1.1):
(ln y) ′ = (sin x ⋅ ln x) ′ = cos x ⋅ ln x + sin xx.
Поскольку
(ln y) ′ = y ′y,
то
y ′ = y ⋅ (ln y) ′ = y ⋅ ( cos x ⋅ ln x + sin xx ) = x sin x ⋅ ( cos x ⋅ ln x + sin xx ).

Ответ

y ′ = x sin x ⋅ ( cos x ⋅ ln x + sin xx ).

Пример 2

Все примеры

Найдите производную функции
y = (ctg x) cos x.

Решение

Логарифмируем исходную функцию:
(П2.1)   ln y = cos x ⋅ ln ctg x.
Из таблицы производных находим:
(cos x) ′ = –sin x;
(ctg x) ′ = – 1sin 2 x.
Применяем правило дифференцирования сложной функции:
(ln ctg x) ′ = (ln u) ′x = (ln u) ′u ⋅ u ′x = 1u ⋅ (ctg x) ′ = 1ctg x ⋅ ( – 1sin 2 x ) =
 – sin xcos x ⋅ 1sin 2 x = – 1sin x ⋅ cos x.
Дифференцируем (П2.1), применяя формулу производной произведения двух функций:
(ln y) ′ = (cos x ⋅ ln ctg x) ′ = (cos x) ′ ⋅ ln ctg x + cos x ⋅ (ln ctg x) ′ =
 –sin x ⋅ ln ctg x – cos xsin x ⋅ cos x = –sin x ⋅ ln ctg x – 1sin x.
Поскольку
(ln y) ′ = y ′y,
то
y ′ = y ⋅ (ln y) ′ = (ctg x) cos x ⋅ ( –sin x ⋅ ln ctg x – 1sin x ).

Ответ

y ′ =– (ctg x) cos x ⋅ (  1sin x + sin x ⋅ ln ctg x ).

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:

▲
Меню