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导数构造与乘积、商的识别

拓展更新于 2026-09-29

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条件中的 ff 与 f′f' 常是某个简单组合的导数。识别该组合后,可以把复杂条件变成单调性。

由乘积法则与商法则识别辅助函数

设 ff 在所研究区间内可导。条件中的 f,f′f,f' 常来自乘积或商的导数,下面列出讲义所用的完整模型。

条件中的组合 可构造的函数 F(x)F(x) 实际导数与条件
f′−cf'-c f−cxf-cx F′=f′−cF'=f'-c
f′+kff'+kf ekxfe^{kx}f F′=ekx(f′+kf)F'=e^{kx}(f'+kf)
f′−kff'-kf e−kxfe^{-kx}f F′=e−kx(f′−kf)F'=e^{-kx}(f'-kf)
f′+(ln⁡a)ff'+(\ln a)f axfa^xf F′=ax[f′+(ln⁡a)f]F'=a^x[f'+(\ln a)f],a>0a>0
f′−(ln⁡a)ff'-(\ln a)f f/axf/a^x F′=a−x[f′−(ln⁡a)f]F'=a^{-x}[f'-(\ln a)f],a>0a>0
xf′+rfxf'+rf xrfx^rf F′=xr−1(xf′+rf)F'=x^{r-1}(xf'+rf),一般实数 rr 取 x>0x>0
xf′−rfxf'-rf f/xrf/x^r F′=(xf′−rf)/xr+1F'=(xf'-rf)/x^{r+1},一般实数 rr 取 x>0x>0
f′/ff'/f ln⁡f\ln f F′=f′/fF'=f'/f,f>0f>0
f′ln⁡x+f/xf'\ln x+f/x fln⁡xf\ln x F′=f′ln⁡x+f/xF'=f'\ln x+f/x,x>0x>0
f′ln⁡x−f/xf'\ln x-f/x f/ln⁡xf/\ln x F′=[f′ln⁡x−f/x]/(ln⁡x)2F'=[f'\ln x-f/x]/(\ln x)^2,x>0,x≠1x>0,x\ne1
f′sin⁡x+fcos⁡xf'\sin x+f\cos x fsin⁡xf\sin x 导数即该组合
f′sin⁡x−fcos⁡xf'\sin x-f\cos x f/sin⁡xf/\sin x 导数为该组合除以 sin⁡2x\sin^2x,sin⁡x≠0\sin x\ne0
f′cos⁡x−fsin⁡xf'\cos x-f\sin x fcos⁡xf\cos x 导数即该组合
f′cos⁡x+fsin⁡xf'\cos x+f\sin x f/cos⁡xf/\cos x 导数为该组合除以 cos⁡2x\cos^2x,cos⁡x≠0\cos x\ne0

表中 c,k,rc,k,r 为常数。每一行都可通过乘积、商或复合求导法则直接验证。例如

(fln⁡x)′=f′ln⁡x−f/x(ln⁡x)2.\left(\frac f{\ln x}\right)'=\frac{f'\ln x-f/x}{(\ln x)^2}.

分母在指定区间内为正,故导数符号与分子相同;若给出的条件是 xf′ln⁡x−fxf'\ln x-f,因 x>0x>0,它与该分子的符号也相同。

整数次幂模型可以扩展到允许的负半轴,但此时 xr−1x^{r-1} 或 xr+1x^{r+1} 的符号必须另查,不能直接沿用正半轴的单调方向。

使用步骤是:先识别模型并实际求导核对,再确定辅助函数的定义区间和单调方向,最后利用已知点的函数值比较。分母为零处把定义域分成几个区间时,各区间需分别处理。

例:由导数条件比较函数值

若 ff 在 R\mathbb R 上可导,f′(x)+f(x)>0f'(x)+f(x)>0 且 f(0)=1f(0)=1,则 F(x)=exf(x)F(x)=e^xf(x) 严格递增。因此 x>0x>0 时 F(x)>1F(x)>1,即 f(x)>e−xf(x)>e^{-x};x<0x<0 时方向相反。结论来自与同一个基准点 00 比较。

例:相似题面,不同构造

若 x>0x>0 时 xf′(x)−f(x)>0xf'(x)-f(x)>0,则 f(x)/xf(x)/x 严格递增。若另有 f(1)=2f(1)=2,便得 x>1x>1 时 f(x)>2xf(x)>2x,0<x<10<x<1 时 f(x)<2xf(x)<2x。

易错点

从 f′+f>0f'+f>0 不能直接推出 f′>0f'>0,因为 ff 可能补偿负导数。所构造的函数若在某点无定义,只能在各个连续区间分别应用单调性。

导数与对称、周期关系

以下 ff 在相应开区间可导;周期结论取定义域为 R\mathbb R。

  1. 若 f(x+T)=f(x)f(x+T)=f(x),T≠0T\ne0,两边求导得 f′(x+T)=f′(x)f'(x+T)=f'(x)。因此 TT 也是导函数的周期,但未必是导函数的最小正周期。
  2. 若 f(a+t)=f(a−t)f(a+t)=f(a-t),求导得 f′(a+t)=−f′(a−t)f'(a+t)=-f'(a-t)。原图关于 x=ax=a 对称,导函数图关于 (a,0)(a,0) 对称。
  3. 若 f(a+t)+f(a−t)=2bf(a+t)+f(a-t)=2b,求导得 f′(a+t)=f′(a−t)f'(a+t)=f'(a-t)。原图关于 (a,b)(a,b) 对称,导函数图关于 x=ax=a 对称。

反向结论需要定义域为关于 aa 对称的区间。若 f′(a+t)=−f′(a−t)f'(a+t)=-f'(a-t),令 H(t)=f(a+t)−f(a−t)H(t)=f(a+t)-f(a-t),则

H′(t)=f′(a+t)+f′(a−t)=0.H'(t)=f'(a+t)+f'(a-t)=0.

由中值定理,HH 在整个区间为常数;H(0)=0H(0)=0,故 f(a+t)=f(a−t)f(a+t)=f(a-t)。若 f′(a+t)=f′(a−t)f'(a+t)=f'(a-t),则对 G(t)=f(a+t)+f(a−t)G(t)=f(a+t)+f(a-t) 同样得到 G′=0G'=0,所以 G(t)=G(0)=2f(a)G(t)=G(0)=2f(a)。

特别地,关于原点对称的区间上,f′f' 为奇函数推出 ff 为偶函数;f′f' 为偶函数推出 f(x)−f(0)f(x)-f(0) 为奇函数,不能无条件推出 ff 本身为奇函数。区间条件不能省略:在 R∖{0}\mathbb R\setminus\{0\} 上取 f(x)=1f(x)=1(x>0x>0)、f(x)=2f(x)=2(x<0x<0),则 f′=0f'=0 为奇函数,ff 却不为偶函数。

把两边化成同一个严格单调函数

若不等式可写成 F(u(x))≥F(v(x))F(u(x))\ge F(v(x)),且两个输入始终位于 FF 的同一个严格递增区间内,则它等价于 u(x)≥v(x)u(x)\ge v(x);若 FF 严格递减,则等价于 u(x)≤v(x)u(x)\le v(x)。方程 F(u)=F(v)F(u)=F(v) 在单射条件下等价于 u=vu=v。

这种方法常称为同构法。先通过移项、取对数或指数变形识别两边共有的表达式,再证明该表达式在所需输入区间上的严格单调性,最后比较内部变量。取对数前两边须为正;内层取值跨越外层函数的不同单调区间时,不能直接消去 FF。

讲义中的四组常用模型为 tette^t 与 tln⁡tt\ln t、t+ln⁡tt+\ln t 与 t+ett+e^t、t/ett/e^t 与 ln⁡t/t\ln t/t、t−ln⁡tt-\ln t 与 t−ett-e^t。乘除模型的完整性质见本篇下一节;加减模型如下。

函数 定义域 导数 严格单调区间与最值
t+ln⁡tt+\ln t (0,+∞)(0,+\infty) 1+1/t1+1/t 整个定义域递增,值域 R\mathbb R
t+ett+e^t R\mathbb R 1+et1+e^t 整个定义域递增,值域 R\mathbb R
t−ln⁡tt-\ln t (0,+∞)(0,+\infty) 1−1/t1-1/t (0,1](0,1] 递减,[1,+∞)[1,+\infty) 递增;最小值 11
t−ett-e^t R\mathbb R 1−et1-e^t (−∞,0](-\infty,0] 递增,[0,+∞)[0,+\infty) 递减;最大值 −1-1

前两行导数恒正。后两行导数分别在 11、00 两侧变号,将临界点代入即可得到最值。因此后两种模型用于消去外层函数时,必须确认两个输入落在同一单调分支。

例如 u,v>0u,v>0 时,F(t)=t+ln⁡tF(t)=t+\ln t 有 F′(t)=1+1/t>0F'(t)=1+1/t>0。于是 u+ln⁡u≥v+ln⁡vu+\ln u\ge v+\ln v 与 u≥vu\ge v 等价。这里严格单调性保证正反两方向都成立;仅有非减性时,函数值相等可能来自同一平台上的不同输入。

六个常用指数组合、对数组合函数

下面把讲义图中的性质写成可核查的公式。各区间指函数在该区间上严格单调;断开的定义域分别讨论。

函数与定义域 导数 递增区间 递减区间 极值与值域
xexxe^x,x∈Rx\in\mathbb R ex(x+1)e^x(x+1) (−1,+∞)(-1,+\infty) (−∞,−1)(-\infty,-1) 最小值 −1/e-1/e;值域 [−1/e,+∞)[-1/e,+\infty)
ex/xe^x/x,x≠0x\ne0 ex(x−1)/x2e^x(x-1)/x^2 (1,+∞)(1,+\infty) (−∞,0)(-\infty,0)、(0,1)(0,1) 正半轴最小值 ee;总值域 (−∞,0)∪[e,+∞)(-\infty,0)\cup[e,+\infty)
x/exx/e^x,x∈Rx\in\mathbb R e−x(1−x)e^{-x}(1-x) (−∞,1)(-\infty,1) (1,+∞)(1,+\infty) 最大值 1/e1/e;值域 (−∞,1/e](-\infty,1/e]
xln⁡xx\ln x,x>0x>0 1+ln⁡x1+\ln x (1/e,+∞)(1/e,+\infty) (0,1/e)(0,1/e) 最小值 −1/e-1/e;值域 [−1/e,+∞)[-1/e,+\infty)
x/ln⁡xx/\ln x,x>0,x≠1x>0,x\ne1 (ln⁡x−1)/(ln⁡x)2(\ln x-1)/(\ln x)^2 (e,+∞)(e,+\infty) (0,1)(0,1)、(1,e)(1,e) 大于1的分支最小值 ee;总值域 (−∞,0)∪[e,+∞)(-\infty,0)\cup[e,+\infty)
ln⁡x/x\ln x/x,x>0x>0 (1−ln⁡x)/x2(1-\ln x)/x^2 (0,e)(0,e) (e,+∞)(e,+\infty) 最大值 1/e1/e;值域 (−∞,1/e](-\infty,1/e]

推导。 乘积、商求导得到第二列;指数因子、平方分母均为正,所以依次只需判断 x+1,x−1,1−x,1+ln⁡x,ln⁡x−1,1−ln⁡xx+1,x-1,1-x,1+\ln x,\ln x-1,1-\ln x 的符号。将唯一临界点代回函数,得到表中的极值。

值域还须结合端点。使用 xln⁡x→0x\ln x\to0(x→0+x\to0^+)、ln⁡x/x→0\ln x/x\to0(x→+∞x\to+\infty),以及 te−t→0te^{-t}\to0(t→+∞t\to+\infty):最后一式可由 et≥t2/2e^t\ge t^2/2 给出 0≤te−t≤2/t0\le te^{-t}\le2/t。于是 xex→0−xe^x\to0^-(x→−∞x\to-\infty),x/ex→0+x/e^x\to0^+(x→+∞x\to+\infty)。分母趋零的各分支则按符号分别趋于正、负无穷。结合每段的连续性与单调性,得到整列值域。

例如 ex/xe^x/x 在正半轴有最小值 ee,在整个定义域却没有最小值;图上局部最低点不能直接称作全局最低点。

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