对数函数的导数

在这里,您将了解如何求解任何底数(公式)中的对数函数的导数。此外,您将能够逐步练习对数函数的导数。

对数函数的除法公式取决于对数是自然对数(以 e 为底)还是其他底数。因此,我们首先将这两个公式分别看一下,并针对每种情况举例说明,然后我们将对这两个规则进行总结。

自然或自然对数的导数

自然对数(或自然对数)的导数是对数自变量的导数除以自变量函数的商。

f(x)=\ln(u) \quad\color{orange}\bm{\longrightarrow}\quad\color{black} f'(x)=\cfrac{u'}{u}

从逻辑上讲,如果对数内部的函数是恒等函数,则导数的分子中保留 1:

f(x)=\ln(x) \quad\color{orange}\bm{\longrightarrow}\quad\color{black} f'(x)=\cfrac{1}{x}

看下面的例子,其中求解 3x 自然对数的导数:

f(x)=\ln(3x) \quad\color{orange}\bm{\longrightarrow}\quad\color{black} f'(x)=\cfrac{3}{3x}=\cfrac{1}{x}

请记住,自然对数是以数字 e(欧拉数)为底的对数。

\ln(x)=\log_e(x)

基于对数的导数

对数对任何底数的导数等于 1 除以 x 乘以原始对数底数的自然对数的乘积。

f(x)=\log_a(x) \quad\color{orange}\bm{\longrightarrow}\quad\color{black} f'(x)=\cfrac{1}{x\cdot\ln(a)}

因此,如果我们应用链式法则,则对数导数规则为:

f(x)=\log_a(u) \quad\color{orange}\bm{\longrightarrow}\quad\color{black} f'(x)=\cfrac{u'}{u\cdot \ln(a)}

例如,x 平方以 2 为底的对数的导数为:

f(x)=\log_2(x^2) \quad\color{orange}\bm{\longrightarrow}\quad\color{black} f'(x)=\cfrac{2x}{x^2\cdot\ln(2)}=\cfrac{2}{x\ln(2)}

对数函数的导数公式

考虑到对数导数的定义及其两种可能的变体,这里总结了这两个公式,以便您更容易记住。

对数函数的导数

解决了对数函数的导数问题

练习1

推导以下对数函数:

f(x)=\log(3x^2)

在这种情况下,需要求解十进制对数的导数,因此我们必须应用以下公式:

f(x)=\log_a(u) \quad\color{orange}\bm{\longrightarrow}\quad\color{black} f'(x)=\cfrac{u'}{u\cdot \ln(a)}

因此,以 10 为底的对数的导数为:

f(x)=\log(3x^2) \quad\color{orange}\bm{\longrightarrow}\quad\color{black} f'(x)=\cfrac{6x}{3x^2\cdot \ln(10)}=\cfrac{2}{x \ln(10)}

请记住,如果对数没有底数,则意味着它的底数是 10。

练习2

推导以下自然(或自然)对数:

f(x)=\ln\left(x^3+4x^2\right)^5

本题中的函数是自然对数,因此我们需要使用以下规则来推导对数函数:

f(x)=\ln(u) \quad\color{orange}\bm{\longrightarrow}\quad\color{black} f'(x)=\cfrac{u'}{u}

因此,自然对数的导数为:

\begin{aligned}f'(x)&=\cfrac{5\left(x^3+4x^2\right)^4\cdot (3x^2+8x)}{\left(x^3+4x^2\right)^5}\\[2ex] &=\cfrac{5\cdot (3x^2+8x)}{x^3+4x^2}\\[2ex] &=\cfrac{15x^2+40x}{x^3+4x^2}\\[2ex] &=\cfrac{15x+40}{x^2+4x}\end{aligned}

练习3

导出以下对数:

f(x)=\log_7(x^5+7x^2-3x+1)

在本练习中,我们需要导出以 7 为底的对数,因此我们将使用以下公式:

f(x)=\log_a(u) \quad\color{orange}\bm{\longrightarrow}\quad\color{black} f'(x)=\cfrac{u'}{u\cdot \ln(a)}

对数的导数为:

f'(x)=\cfrac{5x^4+14x-3}{(x^5+7x^2-3x+1)\cdot \ln(7)}

练习4

求以下对数函数与分数的导数:

\displaystyle f(x)=\log_4\left(\frac{5x}{8x^2-1}\right)

为了求解对数导数,我们首先可以应用对数的性质来简化函数:

f(x)=\log_4(5x)-\log_4(8x^2-1)

现在我们必须使用对数导数公式两次,但两次导数都更容易计算。

f(x)=\log_a(u) \quad\color{orange}\bm{\longrightarrow}\quad\color{black} f'(x)=\cfrac{u'}{u\cdot \ln(a)}

综上所述,函数的导数为:

\begin{aligned}f'(x)&=\cfrac{5}{5x\cdot \ln(4)}-\cfrac{16x}{(8x^2-1)\cdot \ln(4)}\\[2ex]&=\cfrac{1}{x\ln(4)}-\cfrac{16x}{(8x^2-1)\ln(4)}\end{aligned}

练习5

计算以下对数函数的一根导数:

f(x)=\ln\left(\sqrt[4]{\text{cos}(9x)}\right)

首先,我们将使用对数的属性来简化函数:

f(x)=\ln\left(\text{cos}(9x)\right)^{\frac{1}{4}}

\displaystyle f(x)=\frac{1}{4}\ln\left(\text{cos}(9x)\right)

一旦我们从函数中删除了根式,我们就可以使用自然或自然对数的导数规则:

f(x)=\ln(u) \quad\color{orange}\bm{\longrightarrow}\quad\color{black} f'(x)=\cfrac{u'}{u}

因此,复合对数函数的导数为:

f'(x)&=\cfrac{1}{4}\cdot \cfrac{-\text{sen}(9x)\cdot 9}{\text{cos}(9x)}=\cfrac{-9\text{sen}(9x)}{4\text{cos}(9x)}

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