要推导指数函数的导数公式,从基础出发,我们先定义指数函数。
指数函数求导指数函数是一种函数形式为f(x)=a^x的函数,其中a是一个正实数且不等于1、这里的a被称为底数,x被称为指数。
现在我们来求指数函数的导数。设f(x)=a^x,我们要求f'(x)。
根据导数的定义,我们有:
f'(x) = lim(h->0) [f(x+h) - f(x)] / h
1.将f(x)展开:
f(x+h)=a^(x+h)=a^x*a^h
2.带入导数公式:
f'(x) = lim(h->0) [a^x * a^h - a^x] / h
3.提取公因子:
f'(x) = a^x * lim(h->0) [(a^h - 1) / h]
现在我们要求lim(h->0) [(a^h - 1) / h]的值。
4.将分式展开:
(a^h - 1) / h = (a^h - 1) / (e^lnh)
这里我们应用了自然对数的定义,即lnh = log_e h。
5.应用极限的性质:
lim(h->0) [(a^h - 1) / (e^lnh)] = lim(h->0) (a^h - 1) / lim(h->0) (e^lnh)
等式右端的第一项是指数函数的极限形式,我们先求lim(h->0) (a^h - 1)。
令y=a^h-1,当h趋于0时,y趋向于0。我们应用泰勒公式展开y:
y = a^h - 1 = (1 + ln a * h + (ln a * h)^2 / 2! + (ln a * h)^3 / 3! + ... ) - 1
6. 带入lim(h->0):
lim(h->0) [(a^h - 1) / (e^lnh)] = lim(y->0) [y / (e^lnh)] = lim(y->0) y / lim(h->0) (e^lnh)
令L = lim(h->0) (e^lnh)。我们要求L的值。
7. 将L带入lim(y->0) y / L:
lim(h->0) [(a^h - 1) / (e^lnh)] = lim(y->0) y / lim(h->0) (e^lnh) = lim(y->0) y / L
8.将y带入:
lim(y->0) [(1 + ln a * h + (ln a * h)^2 / 2! + (ln a * h)^3 / 3! + ... ) - 1] / L
= lim(h->0) [(ln a * h + (ln a * h)^2 / 2! + (ln a * h)^3 / 3! + ... )] / L
= lim(h->0) [ln a * h + (ln a * h)^2 / 2! + (ln a * h)^3 / 3! + ... ] / L
我们可以观察到,这是自然对数函数的泰勒展开式。自然对数函数的泰勒展开式为ln(1 + x) = x - x^2 / 2 + x^3 / 3 - ...,当,x, < 1
所以,当h趋近0时,hln a < 1,我们可以应用对数函数的泰勒展开式:
ln a * h + (ln a * h)^2 / 2! + (ln a * h)^3 / 3! + ... = ln(1 + hln a)
当h趋近0时,ln(1 + hln a)趋近于hln a。
9. 带入lim(h->0):
lim(h->0) [ln a * h + (ln a * h)^2 / 2! + (ln a * h)^3 / 3! + ... ] / L = lim(h->0) hln a / L
这里的L = lim(h->0) (e^lnh) = e^0 = 1
所以我们得到:
lim(h->0) [(a^h - 1) / (e^lnh)] = lim(h->0) hln a = 0 * ln a = 0
10.带回f'(x)的表达式:
f'(x) = a^x * lim(h->0) [(a^h - 1) / h] = a^x * 0 = 0
所以我们得到指数函数的导数公式为:
f'(x)=0
总结:
根据推导,我们可以得出指数函数的导数公式为f'(x)=0。也就是说,指数函数的导数恒为0,无论底数a的值为多少。
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