關(guān)于積求導(dǎo)法則的教學(xué)探析

楊 雄

(婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 婁底 417000)

基本初等函數(shù)可用導(dǎo)數(shù)的定義求導(dǎo),但一般初等函數(shù)的導(dǎo)數(shù)利用導(dǎo)數(shù)定義求導(dǎo)比較困難,因此需要建立基本導(dǎo)數(shù)公式及求導(dǎo)法則擴(kuò)大基本導(dǎo)數(shù)公式的適用范圍,進(jìn)而有函數(shù)的和、差、積、商的求導(dǎo)法則,并且通過求導(dǎo)法則可得出一些初等函數(shù)的求導(dǎo)公式,使得有能力求出所有的初等函數(shù)的導(dǎo)數(shù)。在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)在求解函數(shù)積的導(dǎo)數(shù)時(shí),有它的一些規(guī)律性,對其進(jìn)行探索,發(fā)現(xiàn)一些有用的結(jié)論,對教學(xué)和學(xué)習(xí)提供幫助。

一、函數(shù)乘積的一階導(dǎo)數(shù)

法則1 設(shè)u(x)在x處可導(dǎo),則u2(x)在x處可導(dǎo),且(u2)′=2uu′.

u′(x)·2u(x)=2uu′

法則2[1]設(shè)u(x),v(x)都在x處可導(dǎo),則u(x)v(x)在x處可導(dǎo),且(uv)′=u′v+uv′.即兩個(gè)可導(dǎo)函數(shù)乘積的導(dǎo)數(shù)等于第一個(gè)因子的導(dǎo)數(shù)與第二個(gè)因子的乘積,加上第一個(gè)因子與第二個(gè)因子的導(dǎo)數(shù)乘積。

u′v+uv′.

法則3 設(shè)u(x),v(x),w(x)都在x處可導(dǎo),則u(x)v(x)w(x)在x處可導(dǎo),且(uvw)′=u′vw+uv′w+uvw′.可以推廣到n個(gè)函數(shù)的乘積的形式,即

例1 求y=(x2+1)(ex+sinx)的導(dǎo)數(shù)。

分析此類題,當(dāng)然首先可以因式展開,再用基本初等函數(shù)求導(dǎo)公式求解,但如果因式較多,那么在展開的過程中計(jì)算量大。因此從前面的積的求導(dǎo)法則可以看出,積的求導(dǎo)一般不需要展開,直接用積求導(dǎo)法則求解。

解y′=(x2+1)′(ex+sinx)+(x2+1)(ex+sinx)′=2x(ex+sinx)+(x2+1)(ex+cosx)

二、函數(shù)乘積的高階導(dǎo)數(shù)

(一)Leibniz公式及證明

設(shè)u(x),v(x)在x處存在n階導(dǎo)數(shù),則u(x)v(x)在x處也存在n階導(dǎo)數(shù),且

設(shè)n時(shí)公式成立,則n+1時(shí)公式也成立:

即Leibniz公式成立。

(二)Leibniz公式在求導(dǎo)中的應(yīng)用

例2 求(x2sinx)(80).

解因(x2-1)n=(x-1)n(x+1)n,故

2n·n!Pn(x)=[(x-1)n(x+1)n](n)=

((x+1)n)′+…+(x-1)n((x+1)n)(n).

當(dāng)x=1時(shí),((x-1)n)(k)=0(k=0,1,…,n-1)以及((x-1)n)(n)=n!,因此

2nn!Pn(1)=n!·(1+1)n=2nn!,

即Pn(1)=1.類似可計(jì)算得Pn(-1)=(-1)n.

三、函數(shù)積的導(dǎo)數(shù)公式其他形式

函數(shù)的積的導(dǎo)數(shù)其他表現(xiàn)形式其實(shí)質(zhì)與Leibniz公式是一致的。這些式子表現(xiàn)出完美的對稱性,體現(xiàn)出數(shù)學(xué)美,進(jìn)而學(xué)習(xí)過程中賞心悅目,也能很好記憶。

(一)函數(shù)一階導(dǎo)數(shù)的其他形式

設(shè)u=u(x)≠0,v=v(x)≠0,w=w(x)≠0,且在定義域內(nèi)任意x處都可導(dǎo),則有

分析此題可以直接應(yīng)用商的求導(dǎo)法則求解,這里應(yīng)用積求導(dǎo)的對稱式來求解,可以體會(huì)到數(shù)學(xué)對稱式的美感。

解

(二)函數(shù)積的二階導(dǎo)數(shù)的其他形式

設(shè)u=u(x)≠0,v=v(x)≠0,w=w(x)≠0,且在x處都可導(dǎo),則有

(2)

(uvw)″=

例5 求x2ex的二階導(dǎo)數(shù)。

分析可以先求一階導(dǎo)數(shù),再求二階導(dǎo)數(shù),這里直接應(yīng)用積的二階導(dǎo)數(shù)的對稱式求解,感覺解題過程是多么的和諧舒暢。

解

(2+4x+x2)ex

四、函數(shù)乘積的求導(dǎo)法則在其他方面的應(yīng)用

(一)推導(dǎo)分部積分法的應(yīng)用

(二)在求解微分方程中的應(yīng)用

例6 已知微分方程為xy′+y=ex,求通解。

(三)在求解定積分中的應(yīng)用

分析:可作為一個(gè)求導(dǎo)法則以及定積分方面的問題求解,基本思路是:首先將求函數(shù)lnx的定積分的問題,轉(zhuǎn)化為兩個(gè)函數(shù)的差的定積分問題,再根據(jù)積的求導(dǎo)法則可知(xlnx)'=lnx+1,從而可知求函數(shù)lnx的定積分的問題,進(jìn)而可以轉(zhuǎn)化為求(xlnx)'的定積分與常數(shù)1的定積分的問題,然后問題得到了解決。當(dāng)然此種解法,只是提供了求積分的另外一種思考方式,開闊思維,其實(shí)質(zhì)解題過程是分部積分法。

五、結(jié)論

求解函數(shù)積的導(dǎo)數(shù),一是要理解記憶積的求導(dǎo)法則,解題的基本功還是初等函數(shù)的求導(dǎo)公式,因此對一些常用的求導(dǎo)公式要熟悉,要能準(zhǔn)確應(yīng)用;二是通過對積的求導(dǎo)知識(shí)的積累和深入理解,進(jìn)而達(dá)到靈活運(yùn)用積的求導(dǎo)法則,實(shí)現(xiàn)選擇最優(yōu)方法解題。