内容正文:
§4 导数的四则运算法则
4.1 导数的加法与减法法则
4.2 导数的乘法与除法法则
课程标准
素养解读
1.能利用导数的四则运算法则,求简单函数的导数.
2.进一步理解导数的运算与几何意义的综合应用.
1.通过运用导数四则运算法则求解简单的导数问题,培养数学运算的核心素养.
2.通过导数的综合应用,达成逻辑推理和数学运算的核心素养.
[情境引入]
上节课学习了基本初等函数求导公式和它们的应用.那么导数可以进行四则运算吗?这是我们这节课要研究的问题.
[知识梳理]
[知识点一] 导数的加法与减法法则
两个函数和(或差)的导数等于 这两个函数导数 的和(或差),即[f(x)+g(x)]′= f′(x)+g′(x) ,[f(x)-g(x)]′= f′(x)-g′(x) .
[知识点二] 导数的乘法与除法法则
一般地,若两个函数f(x)和g(x)的导数分别是f′(x)和g′(x),则[f(x)g(x)]′=f′(x)g(x)+f(x)g′(x),′=(g(x)≠0).
特别地,当g(x)=k时,有[kf(x)]′= kf′(x) .
[预习自测]
1.判断下列说法是否正确(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)和的导数就是导数的和,差的导数就是导数的差.( )
(2)积的导数就是导数的积,商的导数就是导数的商.( )
(3)(x2cos x)′=-2xsin x.( )
答案:(1)√ (2)× (3)×
2.函数y=x3·2x的导函数是( )
A.y′=3x2·2x
B.y′=2x3·2x
C.y′=3x2·2x+2xln 2
D.y′=3x2·2x+2x·x3ln 2
解析:D [y′=(x3·2x)′=(x3)′·2x+x3·(2x)′=3x2·2x+2x·x3ln 2.]
3.某人拉着一个物体前进,他所做的功W(单位:J)是时间t(单位:s)的函数,这个函数可以表示为W=W(t)=t3-6t2+16t,则W′(1),W′(2)分别为 ________ J/s, ________ J/s.
解析:W′(t)=3t2-12t+16,W′(1)=7(J/s),W′(2)=4(J/s).
答案:7 4
4.(1)′= ________ ;(2)(xex)′= ________ .
解析:(1)′==;
(2)(xex)′=ex+xex=(1+x)ex.
答案:(1) (2)(1+x)ex
导数四则运算法则的应用
[例1] 求下列函数的导数:
(1)y=x5-x3+3x+;(2)y=(3x5-4x3)·(4x5+3x3);(3)y=3+4.
[解] (1)y′=′=′-′+(3x)′+()′
=x4-4x2+3.
(2)法一∶y′=(3x5-4x3)′(4x5+3x3)+(3x5-4x3)(4x5+3x3)′=(15x4-12x2)(4x5+3x3)+(3x5-4x3)(20x4+9x2)=60x9-48x7+45x7-36x5+60x9-80x7+27x7-36x5=120x9-56x7-72x5.
法二:∵y=12x10-7x8-12x6,∴y′=120x9-56x7-72x5.
(3)y′=(3+4)′=(3x)′+(4x)′=4x+6x=4+6.
1.多项式的积的导数,通常先展开再求导更简便.
2.含根号的函数求导一般先化为分数指数幂,再求导.
[变式训练]
1.求下列函数的导数.
(1)y=x-2+x2;(2)y=3xex-2x+e;
(3)y=;(4)y=x2-sin cos.
解:(1)y′=2x-2x-3.
(2)y′=(ln 3+1)·(3e)x-2xln 2.
(3)y′=.
(4)∵y=x2-sincos=x2-sin x,∴y′=2x-cos x.
利用导数求曲线的切线方程
[例2] (1)函数y=3sin x在x=处的切线斜率为 ________ .
(2)已知函数f(x)=ax2+ln x的导数为f′(x).
①求f(1)+f′(1);
②若曲线y=f(x)存在垂直于y轴的切线,求实数a的取值范围.
[解析] (1)由函数y=3sin x,得y′=3cos x,
所以函数在x=处的切线斜率为3×cos=.
[答案]
(2)解:①由题意,函数的定义域为(0,+∞),由f(x)=ax2+ln x, 得f′(x)=2ax+,所以f(1)+f′(1)=3a+1.
②因为曲线y=f(x)存在垂直于y轴的切线,故此时切线斜率为0,问题转化为在x∈(0,+∞)内导函数f′(x)=2ax+存在零点,即f′(x)=0,所以2ax+=0有正实数解,即2ax2=-1有正实数解,故有a<0,所以实数a的取值范围是(-∞,0).
求切线的注意点
1.求曲线的切线方程一定要分清是求曲线在点P处的切线方程,还是求过点P与曲线相切的直线方程.
2.本题中点(1,-1)虽然在曲线上,但经过该点的切线不一定只有一条,即该点可能是切点,也可能是切线与曲线的交点.
[变式训练]
2.(1)(2021·全国甲卷)曲线y=在点(-1,-3)处的切线方程为 ________ .
(2)求过点(1,-1)与曲线f(x)=x3-2x相切的直线方程.
解:(1)由题可知,当x=-1时,y=-3,故点在曲线上.求导得:
y′==,所以当x=-1时得切线斜率k=5.故切线方程为5x-y+2=0.
答案:5x-y+2=0
(2)解:设P(x0,y0)为切点,则切线斜率为k=
f′(x)=3x-2,
故切线方程为y-y0=(3x-2)(x-x0). ①
∵(x0,y0)在曲线上,∴y0=x-2x0. ②
又∵(1,-1)在切线上,
∴将②式和(1,-1)代入①式得-1-(x-2x0)=(3x-2)(1-x0).
解得x0=1或x0=-.∴k=1或k=-.
故所求的切线方程为y+1=x-1
或y+1=-(x-1),即x-y-2=0或5x+4y-1=0.
导数运算法则的综合应用
[例3] 若点P是曲线y=x2-ln x-1上任意一点,则点P到直线y=x-3的最小距离为( )
A.1 B.
C. D.2
[解析] 因为点P是曲线y=x2-ln x-1上任意一点,所以当点P处的切线和直线y=x-3平行时,点P到直线y=x-3的距离最小,因为直线y=x-3的斜率等于1,曲线y=x2-ln x-1的导数y′=2x-,令y′=1,可得x=1或x=-(舍去),所以在曲线y=x2-ln x-1与直线y=x-3平行的切线经过的切点坐标为(1,0),所以点P到直线y=x-3的最小距离为d==.
[答案] C
解决与切线有关的问题时,要充分运用切点的坐标.特别是切点的横坐标,因为切点的横坐标与导数有着直接的联系.
[变式训练]
3. (2022·新高考Ⅰ卷)若曲线y=(x+a)ex有两条过坐标原点的切线,则a的取值范围是 ________ .解析:∵y=(x+a)ex,∴y′=(x+1+a)ex,
设切点为(x0,y0),则y0=(x0+a)ex0,切线斜率k=(x0+1+a)ex0,
切线方程为:y-(x0+a)ex0=(x0+1+a)ex0(x-x0),
∵切线过原点,∴-(x0+a)ex0=(x0+1+a)ex0(-x0),
整理得:x+ax0-a=0,
∵切线有两条,∴Δ=a2+4a>0,解得a<-4或a>0,
∴a取值范围是(-∞,-4)∪(0,+∞).
答案:(-∞,-4)∪(0,+∞)
[当堂达标]
1.曲线y=x3-3x2+1在点(1,-1)处的切线方程为( )
A.y=3x-4 B.y=-3x+2
C.y=-4x+3 D.y=4x-5
解析:B [∵点(1,-1)在曲线y=x3-3x2+1上,该点处切线的斜率为k=y′|x=1=(3x2-6x)|x=1=3-6=-3,∴切线方程为y+1=-3(x-1),即y=-3x+2.]
2.已知f(x)=x2+2f′(1)x,则f′(0)等于( )
A.2 B.-2
C.-4 D.0
解析:C [∵f′(x)=2x+2f′(1),∴f′(1)=2+2f′(1),解得f′(1)=-2.
∴f′(x)=2x-4.∴f′(0)=-4.]
3.若曲线y=xα+1(α∈R)在点(1,2)处的切线经过坐标原点,则α= ________ .
解析:因为y′=α·xα-1,所以在点(1,2)处的切线斜率k=α,切线方程为y-2=α(x-1).又切线过原点,故0-2=α(0-1),解得α=2.
答案:2
4.求下列函数的导数
(1)y=x3ex;(2)y=.
解:(1)y′=(x3ex)′=(x3)′ex+x3(ex)′=3x2ex+x3ex.
(2)y′=′===.
[基础达标练]
1.函数f(x)=(x+1)2的导函数为( )
A.f′(x)=x+1 B.f′(x)=2x+1
C.f′(x)=x+2 D.f′(x)=2x+2
解析:D [∵f(x)=(x+1)2=x2+2x+1,
∴f′(x)=2x+2,故选:D.]
2.已知t为实数,f(x)=(x2-4)(x-t)且f′(-1)=0,则t等于( )
A.0 B.-1
C. D.2
解析:C [依题意得f′(x)=2x(x-t)+(x2-4)=3x2-2tx-4,所以f′(-1)=3+2t-4=0,即t=.]
3.已知函数f(x)=ln x-3x+f′(1)x2,则f(1)=( )
A.2 B.1
C.0 D.-1
解析:D [因为f(x)=ln x-3x+f′(1)x2,则f′(x)=-3+2f′(1)x,所以f′(1)=1-3+2f′(1),则f′(1)=2,所以f(x)=ln x-3x+2x2,所以f(1)=ln 1-3+2=-1.]
4.(多选)下列结论中正确的有( )
A.若y=sin ,则y′=0
B.若f(x)=3x2-f′(1)x,则f′(1)=3
C.若y=-+x,则y′=-+1
D.若y=sin x+cos x,则y′=cos x +sin x
解析:ABC [选项A中,若y=sin =,则y′=0,故A正确;选项B中,若f(x)=3x2-f′(1) ·x,则f′(x)=6x-f′(1),令x=1,则f′(1)=6-f′(1),解得f′(1)=3,故B正确;选项C中,若y=-+x,则y′=-+1,故C正确;选项D中,若y=sin x+cos x,则y′=cos x-sin x,故D错误.]
5.若f(x)=x2-2x-4ln x,则f′(x)>0的解集为( )
A.(0,+∞) B.(-1,0)∪(2,+∞)
C.(2,+∞) D.(-1,0)
解析:C [∵f(x)=x2-2x-4ln x,∴f′(x)=2x-2->0.
整理得>0,解得-1<x<0或x>2.
又∵f(x)的定义域为(0,+∞),∴x>2.∴f′(x)>0的解集为(2,+∞).]
6.设函数f(x)在(0,+∞)内可导,其导函数为f′(x),且f(ln x)=2x-ln x,则f′(1)= ______ .
解析:因为f(ln x)=2x-ln x,令t=ln x,则x=et,所以f(t)=2et-t,即f(x)=2ex-x,所以f′(x)=2ex-1,因此f(1)=2e-1.
答案:2e-1
7.若函数f(x),g(x)满足f(x)+xg(x)=x2-1,且f(1)=1,则f′(1)+g′(1)= ________ .
解析:因为函数f(x),g(x)满足f(x)+xg(x)=x2-1,且f(1)=1,
所以f(1)+g(1)=12-1=0,则g(1)=-1,对f(x)+xg(x)=x2-1两边求导,
可得f′(x)+g(x)+xg′(x)=2x,所以f′(1)+g(1)+g′(1)=2,因此f′(1)+g′(1)=3.
答案:3
8.求下列函数的导数:
(1)y=;(2)y=log2x2-log2x; (3)y=; (4)y=-2sin .
解:(1)y′=()′=′=x-1=x-=.
(2)∵y=log2x2-log2x=log2x,∴y′=(log2x)′=.
(3)y′=′=′cos x+
(cos x)′=′cos x-sin x=
-x-cos x-sin x=--sin x=
--sin x=-.
(4)∵y=-2sin =
2sin =2sin cos =sin x,
∴y′=(sin x)′=cos x.
[能力提升练]
9.已知函数f(x)=+x3,其导函数为f′(x),则f(2 022)+f(-2 022)+f′(2 023)-f′(-2 023)的值为( )
A.1 B.2
C.3 D.4
解析:C [f′(x)=+3x2,f′(-x)=+3(-x)2=+3x2,所以f′(x)为偶函数,所以f′(2 023)-f′(-2 023)=0,
因为f(x)+f(-x)=+x3+-x3=+=3,
所以f(2 022)+f(-2 022)=3,
所以f(2 022)+f(-2 022)+f′(2 023)-f′(-2 023)=3.]
10.(多选)下列函数在点x=0处有切线的是( )
A.f(x)=3x2+cos x B.g(x)=x·sin x
C.h(x)=+2x D.w(x)=
解析:ABD [f′(x)=6x-sin x,f′(x)=0,此时切线的斜率为0,故在点x=0处有切线;g′(x)=sin x+x cos x,g′(0)=0,此时切线的斜率为0,故在点x=0处有切线;h′(x)=-+2,在x=0处不可导,则在x=0处没有切线;w′(x)=,w′(0)=0,此时切线的斜率为0,故在点x=0处有切线.]
11.已知函数f(x)=ex-mx+1的图像为曲线C,若曲线C存在与直线y= x垂直的切线,则实数m的取值范围是 ________ .
解析:∵f(x)=ex-mx+1,∴f ′(x)=ex-m.
∵曲线C存在与直线y= x垂直的切线,
∴f′(x)=ex-m=-2有解.
∴m=2+ex>2.∴实数m的取值范围是(2,+∞).
答案:(2,+∞)
12.记f′(x)、g′(x)分别为函数f(x)、g(x)的导函数.把同时满足f(x0)=g(x0),f′(x0)=g′(x0)的x0叫做f(x)与g(x)的“Q点”.
(1)求f(x)=2x与g(x)=x2-2x+4的“Q点”;
(2)若f(x)=ax2+与g(x)=ln x存在“Q点”,求实数a的值.
解:(1)因为f′(x)=2,g′(x)=2x-2,设x0为函数f(x)与g(x)的一个“Q”点.
由f(x0)=g(x0)且f′(x0)=g′(x0),得,解得x0=2.
所以函数f(x)与g(x)的“Q”点是2.
(2)因为f′(x)=2ax,g′(x)=,
设x0为函数f(x)与g(x)的一个“Q”点.
由f(x0)=g(x0)且f′(x0)=g′(x0),得
,
由②得a=,代入①得ln x0=1,所以x0=e.
所以a==.
[素养培优练]
13.(多选)给出定义:若函数f(x)在D上可导,即f′(x)存在,且导函数f′(x)在D上也可导,则称f(x)在D上存在二阶导函数,记f″(x)=(f′(x))′.若f″(x)<0在D上恒成立,则称f(x)在D上为凸函数.以下四个函数在上是凸函数的是( )
A.f(x)=sin x+cos x
B.f(x)=ln x-2x
C.f(x)=-x3+2x-1
D.f(x)=xex
解析:ABC [A中,f′(x)=cos x-sin x,
f″(x)=-sin x-cos x=
-sin<0在区间上恒成立;B中,f′(x)=-2(x>0),f″(x)=-<0在区间上恒成立;C中,f′(x)=-3x2+2,
f″(x)=-6x在区间上恒小于0;D中,
f′(x)=ex+xex,f″(x)=2ex+xex=ex(x+2)>0在区间上恒成立,故D中函数不是凸函数.故ABC为凸函数.]
14.设fn(x)=x+x2+…+xn-1,x≥0,n∈N,n≥2,求fn′(2).
解:由题设fn′(x)=1+2x+…+nxn-1,
所以fn′(2)=1+2×2+…+(n-1)2n-2+n2n-1,①
2fn′(2)=2+2×22+…+(n-1)2n-1+n2n.②
①-②得-fn′(2)=1+2+22+…+2n-1-n2n= -n2n=(1-n)2n-1,
所以fn′(2)=(n-1)2n+1.
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