Таблица производных элементарных функций и правила дифференцирования суммы, произведения, частного и сложной функции
От определения — к удобным правилам
Находить производную по определению — через предел разностного отношения — каждый раз долго. На практике пользуются готовой таблицей производных элементарных функций и правилами, которые позволяют находить производную любой комбинации этих функций (суммы, произведения, частного, сложной функции), не возвращаясь всякий раз к пределам.
Таблица производных основных элементарных функций
| f(x) | f'(x) |
|---|---|
C (константа) | 0 |
x | 1 |
xⁿ | n·x^(n−1) |
√x | 1 / (2√x) |
1/x | −1/x² |
sin x | cos x |
cos x | −sin x |
tg x | 1/cos²x |
ctg x | −1/sin²x |
eˣ | eˣ |
aˣ | aˣ·ln a |
ln x | 1/x |
log_a x | 1/(x·ln a) |
Правило дифференцирования суммы и разности
Производная суммы (разности) функций равна сумме (разности) их производных:
Постоянный множитель можно выносить за знак производной: (C·f)' = C·f'. Например, (3x² + 5x − 7)' = 3·2x + 5·1 − 0 = 6x + 5.
Правило дифференцирования произведения
Производная произведения двух функций вычисляется не как произведение производных, а по формуле:
Пример. Найдите производную функции y = x²·sin x.
Правило дифференцирования частного
Для частного двух функций (при g(x) ≠ 0):
Пример. Найдите производную функции y = sin x / x.
Производная сложной функции (правило цепочки)
Если y = f(g(x)) — сложная функция (композиция функций f и g), то её производная равна произведению производной внешней функции (по промежуточному аргументу) на производную внутренней функции:
Неформально: «берём производную от внешней функции, оставляя внутреннюю как есть, и умножаем на производную внутренней». Пример. Найдите производную функции y = sin(5x² + 1).
Внешняя функция — синус, внутренняя — 5x²+1. Производная синуса — косинус (от того же аргумента), производная внутренней функции — 10x:
Правило цепочки обобщается на композицию из трёх и более функций: производные последовательно перемножаются, «раскручивая» функцию слой за слоем от внешнего к внутреннему.
Комбинированный пример
Условие. Найдите производную функции y = x²·e^(3x).
Решение. Это произведение функций u=x² и v=e^(3x), где для v применяется ещё и правило цепочки: (e^(3x))' = e^(3x)·3.
Вывод правила дифференцирования произведения
Полезно понимать, откуда берётся правило (f·g)' = f'g + fg', а не просто запоминать его. По определению производной:
Прибавим и вычтем в числителе слагаемое f(x+h)g(x):
Разобьём на два слагаемых и воспользуемся тем, что f(x+h)→f(x) при h→0 (в силу непрерывности f):
Аналогичным образом (через определение производной и алгебраические преобразования) можно вывести и остальные правила, включая правило цепочки и производную частного.
Производная обратной функции
Если функция y=f(x) имеет обратную функцию x=f⁻¹(y), и обе они дифференцируемы, то их производные связаны соотношением:
Этот факт, в частности, используется при выводе табличной производной логарифма из производной показательной функции (поскольку логарифм — функция, обратная к показательной).
Логарифмическое дифференцирование
Для функций вида y=u(x)^(v(x)), где и основание, и показатель зависят от x (например, y=xˣ), обычные правила дифференцирования степенной или показательной функции неприменимы напрямую. В таких случаях используют приём логарифмического дифференцирования: берут натуральный логарифм от обеих частей равенства, дифференцируют полученное равенство (пользуясь правилом цепочки и производной произведения), а затем выражают искомую производную.
Пример. Найдите производную функции y = xˣ (x>0).
Прологарифмируем: ln y = x·ln x. Продифференцируем обе части по x, помня, что y — функция от x (слева применяется правило цепочки):
Отсюда y' = y·(ln x + 1) = xˣ·(ln x + 1).
Производные высших порядков
Производную от производной называют второй производной и обозначают f''(x) (или y''). Аналогично определяются производные третьего и более высоких порядков. Физический смысл второй производной пути по времени — ускорение: a(t) = s''(t). Вторая производная также играет ключевую роль при исследовании выпуклости графика функции.
Ещё один комбинированный пример
Условие. Найдите производную функции y = ln(cos x).
Решение. Это сложная функция: внешняя — натуральный логарифм, внутренняя — cos x. По правилу цепочки:
Условие. Найдите производную функции y = (2x+1)⁵.
Решение. Внешняя функция — возведение в пятую степень, внутренняя — 2x+1. Производная внешней по степенной формуле — 5u⁴, производная внутренней — 2:
Типичные ошибки
Самая распространённая ошибка при дифференцировании произведения — считать, что (f·g)' = f'·g' (производная произведения — это НЕ произведение производных). Аналогично при дифференцировании сложной функции часто забывают умножить на производную внутренней функции: например, ошибочно пишут (sin 3x)' = cos 3x, забывая множитель 3, тогда как верно (sin 3x)' = 3cos 3x. Чтобы не ошибиться, полезно всегда явно выделять внешнюю и внутреннюю функции перед дифференцированием.
Краткий словарь терминов
Табличная производная — производная элементарной функции, известная из стандартной таблицы производных.
Правило цепочки — формула для производной сложной функции: производная внешней функции умножается на производную внутренней.
Сложная функция — функция, полученная подстановкой одной функции в качестве аргумента другой: y=f(g(x)).
Вторая производная — производная от производной функции, f''(x)=(f'(x))'.
Заключение
Таблица производных вместе с четырьмя правилами — суммы, произведения, частного и сложной функции — позволяет продифференцировать практически любую элементарную функцию, встречающуюся в школьном курсе, без обращения к пределам. Эти инструменты — рабочая основа для всех последующих тем анализа: исследования функций на монотонность, экстремумы и построения графиков.



