导数:练习题及分步解答

免费的导数练习题,附图示、提示和完整详细解答。每次数值都不同,分三个难度:幂法则, 链式法则与乘积法则, 切线与极值。

免费练习题简单
xyx = −2

设 f(x) = −5x3 + 7x2 − 4x + 9。求图像在 x = −2 处的斜率,即 f′(−2)。

f(x) = −5x3 + 7x2 − 4x + 9x = −2
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练习内容

  1. 简单幂法则
  2. 中等链式法则与乘积法则
  3. 困难切线与极值

如何求解导数问题

  1. 识别结构:和、积、商还是复合。
  2. 对 x 的每个幂应用幂法则。
  3. 需要时使用乘积法则、商法则或链式法则。
  4. 化简,如有要求再代入该点求值。

常见错误

  • 使用链式法则时忘记内层函数的导数。
  • 商法则中顺序弄错。
  • 把常数倍当作乘积处理。

关键公式

幂法则
(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹
乘积法则
(uv)′ = u′v + uv′
商法则
(u/v)′ = (u′v − uv′)/v²
链式法则
f(g(x))′ = f′(g(x))·g′(x)
常用导数
(eˣ)′ = eˣ, (ln x)′ = 1/x, (sin x)′ = cos x, (cos x)′ = −sin x

从零开始学习导数

学习本课之前: 极限

1什么是导数

导数衡量某个量变化得有多快。如果一辆车的位置每小时变化 50 km,它的速度就是 50 km/h:位置的变化率。

在图像上,某一点的导数就是曲线在该点的斜率:放大到非常近时,它上升或下降得有多陡。

这个斜率就是切线的斜率,切线是在该点刚好与曲线相切的直线。

xy(1, 1)m = 2

对于 y = x²,在 x = 1 处的切线斜率为 2。我们写作 f′(1) = 2,读作“f 一撇在 1 处的值”。

  • 导数为正:图像上升。
  • 导数为负:图像下降。
  • 导数为零:图像在那里是水平的,例如在顶点或谷底。
自测 在函数 f 的图像下降的点处,导数是……
  1. 不存在
  2. 正数
  3. 负数
  4. 零

答案: 负数. 导数就是斜率。从左到右下降的图像,斜率为负。

2基本法则

你不必每次都用极限。几条法则就能覆盖大多数函数。

(xⁿ)′ = n · xⁿ⁻¹

这是幂函数求导法则:把指数放到前面作系数,再把指数减一。所以 (x³)′ = 3x²,(x)′ = 1。

  • 单独一个常数的导数为 0:它不变化。
  • 常数因子保留:(5x³)′ = 5 · 3x² = 15x²。
  • 对于和,分别对每一项求导。

也要记住这些:(eˣ)′ = eˣ,(ln x)′ = 1/x,(sin x)′ = cos x,(cos x)′ = −sin x。

自测 4x³ − 2x + 7 的导数是什么?
  1. 12x² − 2 + 7
  2. 12x² − 2
  3. 12x³ − 2x
  4. 4x² − 2

答案: 12x² − 2. 对每一项用幂函数法则:(4x³)′ = 12x²,(−2x)′ = −2,常数 7 的导数为 0。

3乘积法则和链式法则

还有两条法则用来处理由其他函数构造出来的函数。

乘积法则,用于两个函数相乘:

(u · v)′ = u′ · v + u · v′

链式法则,用于函数里面套着函数:对外层函数求导,内层保持不变,然后乘以内层的导数。

[(3x + 1)⁴]′ = 4(3x + 1)³ · 3 = 12(3x + 1)³

商法则由这两条推出:(u/v)′ = (u′v − uv′) / v²。

自测 (2x + 5)³ 的导数是什么?
  1. (2x + 5)² · 2
  2. 3(2x + 5)²
  3. 6(2x + 5)²
  4. 6x(2x + 5)²

答案: 6(2x + 5)². 外层:3(2x + 5)²。内层:(2x + 5)′ = 2。相乘:3 · 2 · (2x + 5)² = 6(2x + 5)²。忘了内层的 2 是典型的失误。

4分步方法

  1. 观察结构:是若干项之和、乘积、商,还是函数套函数。
  2. 先把根式和分式改写成幂:√x = x1/2,1/x² = x−2。
  3. 从外到内,一次处理一块,依次应用法则。
  4. 化简结果。
  5. 如果要求某个值,最后才代入数字。

要找图像的顶点或谷底(极值),解 f′(x) = 0。二阶导数告诉你是哪一种:f″ < 0 是极大值,f″ > 0 是极小值。

5例题讲解

跟着每一步走。打开下一步之前,先试着预测它。

例题讲解

设 f(x) = x³ − 6x² + 9x + 1。求 x = 0 处的斜率,以及局部极大值和极小值。

1

逐项求导

对每一项用幂函数法则。常数 1 消失。

f′(x) = 3x² − 12x + 9
2

x = 0 处的斜率

f′(0) = 3·0 − 12·0 + 9 = 9

所以 x = 0 处的切线每向右一个单位就上升 9 个单位。

3

令导数为零

3x² − 12x + 9 = 0 ⇒ x² − 4x + 3 = 0
(x − 1)(x − 3) = 0 ⇒ x = 1 or x = 3
4

哪个是极大值?

f″(x) = 6x − 12

f″(1) = −6 为负,所以 x = 1 是极大值。f″(3) = 6 为正,所以 x = 3 是极小值。

5

求出函数值

f(1) = 1 − 6 + 9 + 1 = 5
f(3) = 27 − 54 + 27 + 1 = 1
xy(1, 5)(3, 1)

图像也证实了这一点:在两点处都是水平的,(1, 5) 是顶点,(3, 1) 是谷底。

答案

f′(0) = 9。局部极大值在 (1, 5),局部极小值在 (3, 1)。

6常见错误

  • 在链式法则中忘了内层函数的导数。
  • 把 (u · v)′ 写成 u′ · v′。乘积法则有两项。
  • 商法则的顺序弄错:分子是 u′v − uv′,中间是减号。
  • 先代入数字再求导。要先求导,再代入。
  • 把 5x³ 这样的常数倍当成乘积来处理。其实更简单:5 直接保留就行。
自测 √x 的导数是什么?
  1. 1/(2√x)
  2. 1/√x
  3. 2√x
  4. ½x

答案: 1/(2√x). √x = x1/2,所以导数是 ½x−1/2 = 1/(2√x)。先把根式改写成幂就很容易。

7考试题是什么样的

  • 简单:多项式。用幂函数法则,求给定 x 处的斜率。
  • 中等:链式法则或乘积法则,例如 (2x + 5)⁵ 或 x²·e−x,并在某一点求值。
  • 困难:切线和极值。解 f′(x) = 0,并判断哪个点是极大值。

斜率题的快速检查:在脑子里想一想图像。如果它在那里是上升的,你的答案就应该是正的。

在应用中一步一步地学在应用中一步一步地学

例题详解

例题 1简单
xyx = 1

设 f(x) = −x5 + 3x2 − 7x + 7。求图像在 x = 1 处的斜率,即 f′(1)。

f(x) = −x5 + 3x2 − 7x + 7x = 1

求: f′(1)

显示提示
  1. 用幂法则 (xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹ 逐项求导。常数项消失。
  2. f′(x) = −5x4 + 6x − 7.
  3. 现在代入 x = 1。
显示答案和分步解答

求导:导数 f′(x) 是图像在 x 处的斜率。幂法则:(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹。乘积法则:(uv)′ = u′v + uv′。链式法则:(f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x)。在 f′(x) = 0 处,图像有水平切线:极大值、极小值或鞍点。

逐项求导

f′(x) = −5x4 + 6x − 7

代入

f′(1) = (−5)·14 + 6·1 + (−7) = −6

答案

f′(1) = −6
例题 2中等
xyx = 1

设 f(x) = x3·e−x。求 f′(1)。

f(x) = x3·e−xx = 1

求: f′(1)

显示提示
  1. 用乘积法则,u = x3,v = e−x。
  2. u′ = 3x2, v′ = −1·e−x.
  3. f′(x) = e−x·(3x2 + (−1)·x3).
显示答案和分步解答

求导:导数 f′(x) 是图像在 x 处的斜率。幂法则:(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹。乘积法则:(uv)′ = u′v + uv′。链式法则:(f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x)。在 f′(x) = 0 处,图像有水平切线:极大值、极小值或鞍点。

乘积法则

f′(x) = u′v + uv′ = e−x·(3x2 + (−1)·x3)

代入

f′(1) = 0.3679·(3 + (−1)) = 0.7358

答案

f′(1) = 0.7358
例题 3困难
xy

设 f(x) = x3 − 13.5x2 + 54x + 6。求局部极小值点的 x 坐标 x。

f(x) = x3 − 13.5x2 + 54x + 6

求: x

显示提示
  1. 在局部极大值或极小值处,导数为零。
  2. f′(x) = 3x2 − 27x + 54 = 0.
  3. 对于 x³ 项系数为正的三次函数,先出现极大值(x 较小),后出现极小值。
显示答案和分步解答

求导:导数 f′(x) 是图像在 x 处的斜率。幂法则:(xⁿ)′ = n·xⁿ⁻¹。乘积法则:(uv)′ = u′v + uv′。链式法则:(f(g(x)))′ = f′(g(x))·g′(x)。在 f′(x) = 0 处,图像有水平切线:极大值、极小值或鞍点。

导数

f′(x) = 3x2 − 27x + 54 = 3·(x2 − 9x + 18)

解 f′(x) = 0

x = 3 或 x = 6

判断哪个是哪个

f″(x) = 6x − 27:在极大值处为负,在极小值处为正。

f″(3) = −9, f″(6) = 9
x = 6

答案

x = 6

问与答

什么是导数?

导数衡量某个量变化得有多快。如果一辆车的位置每小时变化 50 km,它的速度就是 50 km/h:位置的变化率。

在图像上,某一点的导数就是曲线在该点的斜率:放大到非常近时,它上升或下降得有多陡。

导数题目如何一步步求解?
  1. 识别结构:和、积、商还是复合。
  2. 对 x 的每个幂应用幂法则。
  3. 需要时使用乘积法则、商法则或链式法则。
  4. 化简,如有要求再代入该点求值。
导数有哪些常见错误?
  • 使用链式法则时忘记内层函数的导数。
  • 商法则中顺序弄错。
  • 把常数倍当作乘积处理。
导数练习包括哪些内容?
  • 简单: 幂法则
  • 中等: 链式法则与乘积法则
  • 困难: 切线与极值

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