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导数运算

发布时间:2023-06-04 作者:admin 来源:文学

导数运算

导数运算

-modflow

2023年2月15日发(作者:浅灰色rgb)

精品文档

§3.1导数的概念及运算

1.函数y=f(x)从x

1

到x

2

的平均变化率

函数y=f(x)从x

1

到x

2

的平均变化率为

fx

2

-fx

1

x

2

-x

1

,若Δx=x

2

-x

1

,Δy=f(x

2

)-f(x

1

),则平

均变化率可表示为

Δy

Δx

.

2.函数y=f(x)在x=x

0

处的导数

(1)定义

称函数y=f(x)在x=x

0

处的瞬时变化率lim

Δx→0

Δy

Δx

=lim

Δx→0

fx

0

+Δx-fx

0

Δx

为函数y=f(x)在x

=x

0

处的导数,记作f′(x

0

)或y′|x=x

0

,即f′(x

0

)=lim

Δx→0

Δy

Δx

=lim

Δx→0

fx

0

+Δx-fx

0

Δx

.

(2)几何意义

函数f(x)在点x

0

处的导数f′(x

0

)的几何意义是在曲线y=f(x)上点(x

0

,f(x

0

))处的切线的斜

率.相应地,切线方程为y-f(x

0

)=f′(x

0

)(x-x

0

).

3.函数f(x)的导函数

称函数f′(x)=lim

Δx→0

fx+Δx-fx

Δx

为f(x)的导函数,导函数有时也记作y′.

4.基本初等函数的导数公式

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原函数导函数

f(x)=c(c为常数)f′(x)=__0__

f(x)=xα(α∈Q*)f′(x)=αxα-1

f(x)=sinxf′(x)=cos_x

f(x)=cosxf′(x)=-sin_x

f(x)=ax(a>0)f′(x)=axln_a

f(x)=exf′(x)=ex

f(x)=log

a

x(a>0,

且a≠1)

f′(x)=

1

xlna

f(x)=lnx

f′(x)=

1

x

5.导数的运算法则

(1)[f(x)±g(x)]′=f′(x)±g′(x);

(2)[f(x)·g(x)]′=f′(x)g(x)+f(x)g′(x);

(3)

fx

gx

′=

f′xgx-fxg′x

[gx]2

(g(x)≠0).

1.判断下面结论是否正确(请在括号中打“√”或“×”)

(1)f′(x

0

)与(f(x

0

))′表示的意义相同.(×)

(2)求f′(x

0

)时,可先求f(x

0

)再求f′(x

0

).(×)

(3)曲线的切线不一定与曲线只有一个公共点.(√)

(4)与曲线只有一个公共点的直线一定是曲线的切线.(×)

(5)若f(x)=a3+2ax-x2,则f′(x)=3a2+2x.(×)

(6)函数f(x)=x2lnx的导函数为f′(x)=2x·

1

x

=2.(×)

2.(2013·江西)设函数f(x)在(0,+∞)内可导,且f(ex)=x+ex,则f′(1)=________.

答案2

解析设ex=t,则x=lnt(t>0),

∴f(t)=lnt+t

∴f′(t)=

1

t

+1,

∴f′(1)=2.

3.已知曲线y=x3在点(a,b)处的切线与直线x+3y+1=0垂直,则a的值是()

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A.-1B.±1C.1D.±3

答案B

解析由y=x3知y′=3x2,∴切线斜率k=y′|x=a

=3a2.

又切线与直线x+3y+1=0垂直,∴3a2·(-

1

3

)=-1,

∴即a2=1,a=±1,故选B.

4.如图所示为函数y=f(x),y=g(x)的导函数的图象,那么y=f(x),y=g(x)的图象可能是

()

答案D

解析由y=f′(x)的图象知y=f′(x)在(0,+∞)上单调递减,

说明函数y=f(x)的切线的斜率在(0,+∞)上也单调递减,故可排除A,C.

又由图象知y=f′(x)与y=g′(x)的图象在x=x0

处相交,

说明y=f(x)与y=g(x)的图象在x=x0

处的切线的斜率相同,故可排除B.故选D.

5.已知点P在曲线y=

4

ex+1

上,α为曲线在点P处的切线的倾斜角,则α的取值范围是

________.

答案[

3

4

π,π)

解析∵y=

4

ex+1

,∴y′=

-4ex

ex+12

-4ex

e2

x+2ex+1

-4

ex+

1

ex

+2

.

∵ex>0,∴ex+

1

ex

≥2,

∴y′∈[-1,0),∴tanα∈[-1,0).

又α∈[0,π),∴α∈[

4

,π).

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题型一利用定义求函数的导数

例1利用导数的定义求函数f(x)=x3在x=x

0

处的导数,并求曲线f(x)=x3在x=x

0

处的切

线与曲线f(x)=x3的交点.

思维启迪掌握导数的定义,理解导数的几何意义是解决本题的关键.

解f′(x

0

)=lim

x→x

0

fx-fx

0

x-x

0

=lim

x→x

0

x3-x3

0

x-x

0

=lim

x→x

0

(x2+xx0

+x2

0

)=3x2

0

.

曲线f(x)=x3在x=x0

处的切线方程为

y-x3

0

=3x2

0

·(x-x

0

),

即y=3x2

0

x-2x3

0

,由

y=x3,

y=3x2

0

x-2x3

0

得(x-x0

)2(x+2x

0

)=0,解得x=x

0

,x=-2x

0

.

若x0

≠0,则交点坐标为(x

0

,x3

0

),(-2x

0

,-8x3

0

);若x

0

=0,则交点坐标为(0,0).

思维升华求函数f(x)的导数步骤:

(1)求函数值的增量Δy=f(x

2

)-f(x

1

);

(2)计算平均变化率

Δy

Δx

fx

2

-fx

1

x

2

-x

1

(3)计算导数f′(x)=lim

Δx→0

Δy

Δx

.

(1)函数y=x+

1

x

在[x,x+Δx]上的平均变化率

Δy

Δx

=________;该函数在x=1

处的导数是________.

(2)若函数y=f(x)在区间(a,b)内可导,且x

0

∈(a,b),则lim

h→0

fx

0

+h-fx

0

-h

h

的值为

()

A.f′(x

0

)B.2f′(x

0

)

C.-2f′(x

0

)D.0

答案(1)1-

1

xx+Δx

0(2)B

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解析(1)∵Δy=(x+Δx)+

1

x+Δx

-x-

1

x

=Δx+

1

x+Δx

1

x

=Δx+

-Δx

xx+Δx

.

Δy

Δx

=1-

1

xx+Δx

.y′|

x=1

=lim

Δx→0

Δy

Δx

=0.

(2)lim

h→0

fx

0

+h-fx

0

-h

h

=2×lim

h→0

fx

0

+h-fx

0

-h

2h

=2f′(x0

).

题型二导数的运算

例2求下列函数的导数:

(1)y=ex·lnx;

(2)y=x

x2+

1

x

1

x3

思维启迪求函数的导数,首先要搞清函数的结构;若式子能化简,可先化简再求导.

解(1)y′=(ex·lnx)′=exlnx+ex·

1

x

=ex(lnx+

1

x

).

(2)∵y=x3+1+

1

x2

,∴y′=3x2-

2

x3

.

思维升华(1)求导之前,应利用代数、三角恒等式等变形对函数进行化简,然后求导,

这样可以减少运算量,提高运算速度,减少差错;

(2)有的函数虽然表面形式为函数的商的形式,但在求导前利用代数或三角恒等变形将函

数先化简,然后进行求导,有时可以避免使用商的求导法则,减少运算量;

求下列函数的导数.

(1)y=(x+1)(x+2)(x+3);

(2)y=sin

x

2

(1-2cos2

x

4

);

解(1)方法一∵y=(x2+3x+2)(x+3)

=x3+6x2+11x+6,

∴y′=3x2+12x+11.

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方法二y′=[(x+1)(x+2)]′(x+3)+(x+1)(x+2)(x+3)′

=[(x+1)′(x+2)+(x+1)(x+2)′](x+3)+(x+1)(x+2)

=(x+2+x+1)(x+3)+(x+1)(x+2)

=(2x+3)(x+3)+(x+1)(x+2)

=3x2+12x+11.

(2)∵y=sin

x

2

(-cos

x

2

)=-

1

2

sinx,

∴y′=(-

1

2

sinx)′=-

1

2

(sinx)′=-

1

2

cosx.

题型三导数的几何意义

例3已知函数f(x)=x3-4x2+5x-4.

(1)求曲线f(x)在点(2,f(2))处的切线方程;

(2)求经过点A(2,-2)的曲线f(x)的切线方程.

思维启迪由导数的几何意义先求斜率,再求方程,注意点是否在曲线上,是否为切点.

解(1)∵f′(x)=3x2-8x+5,∴f′(2)=1,

又f(2)=-2,

∴曲线f(x)在点(2,f(2))处的切线方程为y-(-2)=x-2,

即x-y-4=0.

(2)设切点坐标为(x

0

,x3

0

-4x2

0

+5x

0

-4),

∵f′(x

0

)=3x2

0

-8x

0

+5,

∴切线方程为y-(-2)=(3x2

0

-8x

0

+5)(x-2),

又切线过点(x0

,x3

0

-4x2

0

+5x

0

-4),

∴x3

0

-4x2

0

+5x

0

-2=(3x2

0

-8x

0

+5)(x

0

-2),

整理得(x0

-2)2(x

0

-1)=0,解得x

0

=2或x

0

=1,

∴经过A(2,-2)的曲线f(x)的切线方程为x-y-4=0,或y+2=0.

思维升华导数几何意义的应用,需注意以下两点:

(1)当曲线y=f(x)在点(x

0

,f(x

0

))处的切线垂直于x轴时,函数在该点处的导数不存在,切

线方程是x=x0

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(2)注意区分曲线在某点处的切线和曲线过某点的切线.曲线y=f(x)在点P(x

0

,f(x

0

))处的

切线方程是y-f(x0

)=f′(x

0

)(x-x

0

);求过某点的切线方程,需先设出切点坐标,再依据

已知点在切线上求解.

已知抛物线y=ax2+bx+c通过点P(1,1),且在点Q(2,-1)处与直线y=x-3

相切,求实数a、b、c的值.

解∵y′=2ax+b,

∴抛物线在点Q(2,-1)处的切线斜率为

k=y′|

x=2

=4a+b.

∴4a+b=1.①

又∵点P(1,1)、Q(2,-1)在抛物线上,∴a+b+c=1,②

4a+2b+c=-1.③

联立①②③解方程组,得

a=3,

b=-11,

c=9.

∴实数a、b、c的值分别为3、-11、9.

一审条件挖隐含

典例:(12分)设函数y=x2-2x+2的图象为C

1

,函数y=-x2+ax+b的图象为C

2

,已知过

C

1

与C

2

的一个交点的两切线互相垂直.

(1)求a,b之间的关系;

(2)求ab的最大值.

审题路线图

C

1

与C

2

有交点

↓(可设C

1

与C

2

的交点为(x

0

,y

0

))

过交点的两切线互相垂直

↓(切线垂直隐含着斜率间的关系)

两切线的斜率互为负倒数

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↓导数的几何意义

利用导数求两切线的斜率:

k

1

=2x

0

-2,k

2

=-2x

0

+a

↓等价转换

(2x

0

-2)(-2x

0

+a)=-1①

↓(交点(x

0

,y

0

)适合解析式)

y

0

=x2

0

-2x

0

+2

y

0

=-x2

0

+ax

0

+b

,即2x2

0

-(a+2)x

0

+2-b=0②

↓注意隐含条件方程①②同解

a+b=

5

2

↓消元

ab=a

5

2

-a

=-

a-

5

4

2+

25

16

当a=

5

4

时,ab最大且最大值为

25

16

.

规范解答

解(1)对于C

1

:y=x2-2x+2,有y′=2x-2,[1分]

对于C2

:y=-x2+ax+b,有y′=-2x+a,[2分]

设C1

与C

2

的一个交点为(x

0

,y

0

),

由题意知过交点(x0

,y

0

)的两切线互相垂直.

∴(2x

0

-2)(-2x

0

+a)=-1,

即4x2

0

-2(a+2)x

0

+2a-1=0①

又点(x0

,y

0

)在C

1

与C

2

上,

故有

y

0

=x2

0

-2x

0

+2

y

0

=-x2

0

+ax

0

+b

⇒2x2

0

-(a+2)x

0

+2-b=0②

由①②消去x0

,可得a+b=

5

2

.[6分]

(2)由(1)知:b=

5

2

-a,

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∴ab=a

5

2

-a

=-

a-

5

4

2+

25

16

.[9分]

∴当a=

5

4

时,(ab)

最大值

25

16

.[12分]

温馨提醒审题包括两方面内容:题目信息的挖掘、整合以及解题方法的选择;本题切

入点是两条曲线有交点P(x

0

,y

0

),交点处的切线互相垂直,通过审题路线可以清晰看到

审题的思维过程.

方法与技巧

1.f′(x

0

)代表函数f(x)在x=x

0

处的导数值;(f(x

0

))′是函数值f(x

0

)的导数,而函数值f(x

0

)

是一个常量,其导数一定为0,即(f(x0

))′=0.

2.对于函数求导,一般要遵循先化简再求导的基本原则.求导时,不但要重视求导法则的

应用,而且要特别注意求导法则对求导的制约作用,在实施化简时,首先必须注意变换

的等价性,避免不必要的运算失误.

失误与防范

1.利用公式求导时要特别注意除法公式中分子的符号,防止与乘法公式混淆.

2.求曲线切线时,要分清在点P处的切线与过P点的切线的区别,前者只有一条,而后者

包括了前者.

3.曲线的切线与曲线的交点个数不一定只有一个,这和研究直线与二次曲线相切时有差别.

A组专项基础训练

(时间:35分钟,满分:57分)

一、选择题

1.设f(x)=xlnx,若f′(x

0

)=2,则x

0

的值为()

A.e2B.eC.

ln2

2

D.ln2

答案B

解析由f(x)=xlnx得f′(x)=lnx+1.

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根据题意知lnx0

+1=2,所以lnx

0

=1,因此x

0

=e.

2.若函数f(x)=ax4+bx2+c满足f′(1)=2,则f′(-1)等于()

A.-1B.-2C.2D.0

答案B

解析f′(x)=4ax3+2bx,

∵f′(x)为奇函数且f′(1)=2,∴f′(-1)=-2.

3.若曲线y=x4的一条切线l与直线x+4y-8=0垂直,则l的方程为()

A.4x-y-3=0B.x+4y-5=0

C.4x-y+3=0D.x+4y+3=0

答案A

解析切线l的斜率k=4,设y=x4的切点的坐标为(x0

,y

0

),则k=4x3

0

=4,∴x

0

=1,

∴切点为(1,1),

即y-1=4(x-1),整理得l的方程为4x-y-3=0.

4.曲线y=x3在点(1,1)处的切线与x轴及直线x=1所围成的三角形的面积为()

A.

1

12

B.

1

6

C.

1

3

D.

1

2

答案B

解析求导得y′=3x2,所以y′=3x2|

x=1

=3,

所以曲线y=x3在点(1,1)处的切线方程为y-1=3(x-1),

结合图象易知所围成的三角形是直角三角形,

三个交点的坐标分别是(

2

3

,0),(1,0),(1,1),

于是三角形的面积为

1

2

×(1-

2

3

)×1=

1

6

,故选B.

5.已知f

1

(x)=sinx+cosx,f

n+1

(x)是f

n

(x)的导函数,即f

2

(x)=f

1

′(x),f

3

(x)=f

2

′(x),…,f

n

+1

(x)=f

n

′(x),n∈N*,则f

2015

(x)等于()

A.-sinx-cosxB.sinx-cosx

C.-sinx+cosxD.sinx+cosx

答案A

解析∵f

1

(x)=sinx+cosx,

∴f

2

(x)=f

1

′(x)=cosx-sinx,

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∴f

3

(x)=f

2

′(x)=-sinx-cosx,

∴f

4

(x)=f

3

′(x)=-cosx+sinx,

∴f

5

(x)=f

4

′(x)=sinx+cosx,

∴f

n

(x)是以4为周期的函数,

∴f

2015

(x)=f

3

(x)=-sinx-cosx,故选A.

二、填空题

6.已知函数f(x)的导函数为f′(x),且满足f(x)=3x2+2x·f′(2),则f′(5)=________.

答案6

解析对f(x)=3x2+2xf′(2)求导,

得f′(x)=6x+2f′(2).

令x=2,得f′(2)=-12.

再令x=5,得f′(5)=6×5+2f′(2)=6.

7.已知函数y=f(x)及其导函数y=f′(x)的图象如图所示,则曲线y=

f(x)在点P处的切线方程是__________.

答案x-y-2=0

解析根据导数的几何意义及图象可知,曲线y=f(x)在点P处的切

线的斜率k=f′(2)=1,又过点P(2,0),

所以切线方程为x-y-2=0.

8.若函数f(x)=

1

2

x2-ax+lnx存在垂直于y轴的切线,则实数a的取值范围是________.

答案[2,+∞)

解析∵f(x)=

1

2

x2-ax+lnx,∴f′(x)=x-a+

1

x

.

∵f(x)存在垂直于y轴的切线,∴f′(x)存在零点,

x+

1

x

-a=0,∴a=x+

1

x

≥2.

三、解答题

9.求下列函数的导数.

(1)y=xnlgx;

(2)y=

1

x

2

x2

1

x3

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(3)y=

sinx

xn

解(1)y′=nxn-

1lgx+xn·

1

xln10

=xn-

1(nlgx+

1

ln10

).

(2)y′=(

1

x

)′+(

2

x2

)′+(

1

x3

)′

=(x-

1)′+(2x-

2)′+(x-

3)′

=-x-

2-4x-

3-3x-

4

=-

1

x2

4

x3

3

x4

.

(3)y′=(

sinx

xn

)′=

xnsinx′-xn′sinx

x2

n

xncosx-nxn-

1sinx

x2

n

xcosx-nsinx

xn+

1

.

10.已知曲线y=

1

3

x3+

4

3

.

(1)求曲线在点P(2,4)处的切线方程;

(2)求曲线过点P(2,4)的切线方程.

解(1)∵P(2,4)在曲线y=

1

3

x3+

4

3

上,且y′=x2,

∴在点P(2,4)处的切线的斜率为y′|

x=2

=4.

∴曲线在点P(2,4)处的切线方程为y-4=4(x-2),

即4x-y-4=0.

(2)设曲线y=

1

3

x3+

4

3

与过点P(2,4)的切线相切于点A

x

0

1

3

x3

0

4

3

,则切线的斜率为y′|x

=x0

=x2

0

.

∴切线方程为y-

1

3

x3

0

4

3

=x2

0

(x-x

0

),

即y=x2

0

·x-

2

3

x3

0

4

3

.

∵点P(2,4)在切线上,∴4=2x2

0

2

3

x3

0

4

3

精品文档

即x3

0

-3x2

0

+4=0,∴x3

0

+x2

0

-4x2

0

+4=0,

∴x2

0

(x

0

+1)-4(x

0

+1)(x

0

-1)=0,

∴(x

0

+1)(x

0

-2)2=0,解得x0

=-1或x

0

=2,

故所求的切线方程为x-y+2=0或4x-y-4=0.

B组专项能力提升

(时间:25分钟,满分:43分)

1.在函数y=x3-9x的图象上,满足在该点处的切线的倾斜角小于

π

4

,且横、纵坐标都为整

数的点的个数是()

A.0B.1C.2D.3

答案A

解析依题意得,y′=3x2-9,令0≤y′<1得3≤x2<

10

3

显然满足该不等式的整数x不存在,因此在函数y=x3-9x的图象上,满足在该点处的

切线的倾斜角小于

π

4

,且横、纵坐标都为整数的点的个数是0,选A.

2.若函数f(x)=x2+bx+c的图象的顶点在第四象限,则函数f′(x)的大致图象是()

答案A

解析∵f(x)=x2+bx+c=

x+

b

2

2-

b2

4

+c,

由f(x)的图象的顶点在第四象限得-

b

2

>0,∴b<0.

又f′(x)=2x+b,斜率为正,纵截距为负,故选A.

3.已知曲线C:f(x)=x3-ax+a,若过曲线C外一点A(1,0)引曲线C的两条切线,它们的

倾斜角互补,则a的值为________.

答案

27

8

解析设切点坐标为(t,t3-at+a).

由题意知,f′(x)=3x2-a,

切线的斜率为k=y′|x=t

=3t2-a,①

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所以切线方程为y-(t3-at+a)=(3t2-a)(x-t).②

将点(1,0)代入②式得,-(t3-at+a)=(3t2-a)(1-t),

解之得,t=0或t=

3

2

.

分别将t=0和t=

3

2

代入①式,得k=-a和k=

27

4

-a,

由题意得它们互为相反数得a=

27

8

.

4.设函数f(x)=ax-

b

x

,曲线y=f(x)在点(2,f(2))处的切线方程为7x-4y-12=0.

(1)求f(x)的解析式;

(2)曲线f(x)上任一点处的切线与直线x=0和直线y=x所围成的三角形面积为定值,并

求此定值.

解(1)方程7x-4y-12=0可化为y=

7

4

x-3.

当x=2时,y=

1

2

.又f′(x)=a+

b

x2

于是

2a-

b

2

1

2

a+

b

4

7

4

解得

a=1,

b=3.

故f(x)=x-

3

x

.

(2)设P(x

0

,y

0

)为曲线上任一点,由y′=1+

3

x2

知曲线在点P(x0

,y

0

)处的切线方程为y-

y

0

1+

3

x2

0

(x-x

0

),

即y-

x

0

3

x

0

1+

3

x2

0

(x-x

0

).

令x=0,得y=-

6

x

0

从而得切线与直线x=0的交点坐标为

0,-

6

x

0

.

令y=x,得y=x=2x0

从而得切线与直线y=x的交点坐标为(2x0,

2x

0

).

所以点P(x0

,y

0

)处的切线与直线x=0,y=x所围成的三角形的面积为S=

1

2

6

x

0

|2x

0

|

=6.

故曲线y=f(x)上任一点处的切线与直线x=0,y=x所围成的三角形面积为定值,且此定

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值为6.

5.设有抛物线C:y=-x2+

9

2

x-4,过原点O作C的切线y=kx,使切点P在第一象限.

(1)求k的值;

(2)过点P作切线的垂线,求它与抛物线的另一个交点Q的坐标.

解(1)设点P的坐标为(x

1

,y

1

),则y

1

=kx

1

,①

y

1

=-x2

1

9

2

x

1

-4,②

①代入②得x2

1

+(k-

9

2

)x

1

+4=0.

∵P为切点,∴Δ=(k-

9

2

)2-16=0得k=

17

2

或k=

1

2

.

当k=

17

2

时,x1

=-2,y

1

=-17.

当k=

1

2

时,x1

=2,y

1

=1.

∵P在第一象限,∴所求的斜率k=

1

2

.

(2)过P点作切线的垂线,其方程为y=-2x+5.③

将③代入抛物线方程得x2-

13

2

x+9=0.

设Q点的坐标为(x2

,y

2

),即2x

2

=9,

∴x

2

9

2

,y2

=-4.

∴Q点的坐标为(

9

2

,-4).

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