复合函数求导方法

问题

函数y=(2 x+3)^{8},求其导数

思路1(一种 错误的思路)

因为(x^8)^{\prime}=8x^7
所以:\color{red} {y^\prime =8(2x+3)^7}
想一想为什么红色的答案是错的。

思路2(一种正确但是很麻烦的方法)

你知道x^{n}f(x)+g(x)的求 导方法,所以你想把它先展开:
(2 x+3)^{8}=
256x^{8}+3072 x^{7}+16128 x^{6}+48384 x^{5}
+90720 x^{4}+108864 x^{3}+81648 x^{2}+34992 x+6561
如果有耐心和时间,这样也可以求得结果,但如果我们这样做的话,那下面介绍的方法就没有意义了。因此我们要推导一个公式,以便可以不进行多项式乘法就能求导。再重复一下,公式是为简化运算而产生的。
如果用公式无法轻松处理复杂的计算,又怎么能叫“公式”呢?
简化这类运算的方法就是“复合函数求导法”。

思路3(复合函数求导法)

如果该算式是y=x^8,那么根据已知的x的求导公式,1秒钟就能得出结果。而函数式y=2x+3根据f(x)+g(x)的求导公式也能在1秒钟内计算出答案。不过将它们组合起来,就太难了,不知如何下手。
有句话“一根筷子轻轻被折断,一双筷子牢牢抱成团”,一双筷子是比一根筷子难以折断。
个体都是可以瞬间解决,复合函数的基本求导思想就应该是“在个体汇集之前就解决掉它们”。
因此,我们要把y=(2x+3)^8分成两个部分。在组合组件时,我们通常都是先将每部分分别组合后再进行整体组装,求导也是如此,我们要将可简单求导的y=x^8y=2x+3分别求导,而后再将其组合。
刚才我们一直在说y=x^8,但实际上是y=(2x+3)^8,所以直接写成y=x^8不太好处理。为此我们另外准备了一个新字母u。假设u=2x+3,这样原来的算式可写成y=u^8
对函数关于以求导得到\frac{d y}{d u}=8 u^{7},对u=2x+3关于x求导得到\frac{d u}{d x}=2
突然用分数形式表示导数,还能记起来吗?这是莱布尼兹发明的表示方法。分母表示“关于什么求导”。
这样,两个“零件”就准备完毕,剩下的就是考虑如何组合。暂时先将组合好的零件放在一旁,我们先来看看原先的算式。
y=(2 x+3)^{8}关于x求导,可表示为\frac{d y}{d x}。将3个导数算式排在一起就是\frac{d y}{d u}, \frac{d u}{d x}, \frac{d y}{d x}。你发现了什么?
是的,通过象\frac{d y}{d u} \times \frac{d u}{d x}些可求得\frac{d y}{d x}(约掉分子和分母上的du)。代入y=(2 x+3)^{8}, y=u^{8}, u=2 x+3,则得到\left\{(2 x+3)^{8}\right\}^{\prime}=8 u^{7} \times 2
之后将置换的u代回原来的2x+3,就得到
\left\{(2 x+3)^{8}\right\}^{\prime}=8(2 x+3)^{7} \times 2
复合函数的求导方法,就是引入新字母,使得原函数被分解成了两个函数的复合函数,对每个算式分别求导后,再将其组合。这个方法最重要的思路就是:
\frac{d y}{d x}=\frac{d y}{d u} \times \frac{d u}{d x}
作为分数运算,这种处理理所当然,但能将该方法用于表示导数关系实在是聪明。莱布尼兹真是厉害呀!
将上面的8(2x+3)^7展开,得到的结果与将原式展开后求导的结果完全相同。虽然有些费事,不过还是请你试着做一下。

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