Таблица производных элементарных функций
От вычисления пределов к мощному справочному инструменту
1. Назначение таблицы производных
Вычислять производные по определению через предел каждый раз — утомительно и чревато ошибками. Таблица производных — это краткий справочник, который заменяет повторяющиеся вычисления пределов заранее доказанными результатами — математический аналог заслуженного «короткого пути».
После доказательства эти результаты становятся инструментами, которые можно применять мгновенно — освобождая вас для работы над структурой более сложных задач, вместо того чтобы каждый раз заново выводить базовые формулы.
2. Правило степени: $\frac{d}{dx}[x^n] = n\,x^{n-1}$
2.1 Формулировка
Для любого вещественного показателя $n \in \mathbb{R}$:
$$ \frac{d}{dx}\bigl[x^n\bigr] = n\,x^{n-1} $$всюду, где $x^n$ определено.
2.2 Доказательство для натуральных показателей (через бином Ньютона)
Пусть $f(x) = x^n$, где $n \in \mathbb{N}$. По определению производной через предел:
$$ f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{(x+h)^n - x^n}{h} $$Шаг 1 — Разложим по биному Ньютона (вспомните эту тему из предыдущих занятий):
$$ (x+h)^n = \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} x^{n-k} h^k = x^n + n\,x^{n-1}h + \binom{n}{2}x^{n-2}h^2 + \cdots + h^n $$Шаг 2 — Вычтем $x^n$ и разделим на $h$:
$$ \frac{(x+h)^n - x^n}{h} = \frac{n\,x^{n-1}h + \binom{n}{2}x^{n-2}h^2 + \cdots + h^n}{h} $$ $$ = n\,x^{n-1} + \binom{n}{2}x^{n-2}h + \cdots + h^{n-1} $$Шаг 3 — Перейдём к пределу при $h \to 0$:
Каждое слагаемое, кроме первого, содержит множитель $h$, поэтому все они обращаются в нуль:
$$ f'(x) = \lim_{h \to 0} \left[ n\,x^{n-1} + \underbrace{\binom{n}{2}x^{n-2}h + \cdots + h^{n-1}}_{\to\, 0} \right] = n\,x^{n-1} \quad \blacksquare $$2.3 Обобщение на отрицательные и дробные показатели
| Тип показателя | Способ обобщения |
|---|---|
| Отрицательные целые ($n < 0$) | Запишем $x^{-m} = \frac{1}{x^m}$ и применим правило частного (доказывается отдельно). |
| Рациональные ($n = p/q$) | Запишем $y = x^{p/q}$, тогда $y^q = x^p$. Продифференцируем неявно и найдём $y'$. |
| Произвольные вещественные $n$ | Запишем $x^n = e^{n \ln x}$ и применим правило цепочки с производными показательной и логарифмической функций. |
2.4 Объединение частных случаев
Правило степени — это единая формула, которая объединяет несколько результатов, которые вы, возможно, встречали по отдельности:
| Частный случай | $n$ | $f(x)$ | $f'(x) = n\,x^{n-1}$ |
|---|---|---|---|
| Правило константы | $0$ | $x^0 = 1$ (константа) | $0 \cdot x^{-1} = 0$ |
| Правило тождественной функции | $1$ | $x^1 = x$ | $1 \cdot x^{0} = 1$ |
| Правило квадратного корня | $\tfrac{1}{2}$ | $x^{1/2} = \sqrt{x}$ | $\tfrac{1}{2}x^{-1/2} = \dfrac{1}{2\sqrt{x}}$ |
| Правило обратной функции | $-1$ | $x^{-1} = \dfrac{1}{x}$ | $-x^{-2} = -\dfrac{1}{x^2}$ |