Раздел II. Дифференциальное исчисление функций одной переменной — § 1. Производная явной функции

Демидович — задача 984

Б. П. Демидович, «Сборник задач и упражнений по математическому анализу». Условие, подробное решение и ответ.

Задача 984

Найти логарифмические производные следующих функций:а) y=x1−x1+x;б) y=x21−x3−x(3+x)23;\text{а) }y=x\sqrt{\frac{1-x}{1+x}};\qquad
\text{б) }y=\frac{x^2}{1-x}\sqrt[3]{\frac{3-x}{(3+x)^2}};
в) y=(x−a1)α1(x−a2)α2⋯(x−an)αn;г) y=(x+1+x2)n.\text{в) }y=(x-a_1)^{\alpha_1}(x-a_2)^{\alpha_2}\cdots(x-a_n)^{\alpha_n};
\qquad\text{г) }y=(x+\sqrt{1+x^2})^n.
Ответ:а) 1x−11−x2\displaystyle\frac1x-\frac1{1-x^2}, −1<x<1-1<x<1, x≠0x\ne0.

б) 2x+11−x−13(3−x)−23(3+x)\displaystyle\frac2x+\frac1{1-x}-\frac1{3(3-x)}-\frac2{3(3+x)}, x∉{−3,0,1,3}x\notin\{-3,0,1,3\}.

в) ∑k=1nαkx−ak\displaystyle\sum_{k=1}^n\frac{\alpha_k}{x-a_k} на допустимых промежутках.

г) n1+x2\displaystyle\frac{n}{\sqrt{1+x^2}}, x∈Rx\in\mathbb R.

Решение

Логарифмическая производная ненулевой функции yy — это (ln⁡∣y∣)′=y′/y(\ln|y|)'=y'/y. После логарифмирования произведение превращается в сумму, а показатели степеней становятся коэффициентами. Все равенства используем там, где исходная функция определена, дифференцируема и не равна нулю.
а) Подкоренное выражение положительно при −1<x<1-1<x<1, а множитель xx отличен от нуля при x≠0x\ne0. На этих промежуткахln⁡∣y∣=ln⁡∣x∣+12ln⁡(1−x)−12ln⁡(1+x).\ln|y|=\ln|x|+\frac12\ln(1-x)-\frac12\ln(1+x).Дифференцируем каждое слагаемое:y′y=1x−12(1−x)−12(1+x)=1x−(1+x)+(1−x)2(1−x)(1+x)=1x−11−x2.\frac{y'}y=\frac1x-\frac1{2(1-x)}-\frac1{2(1+x)}
=\frac1x-\frac{(1+x)+(1-x)}{2(1-x)(1+x)}
=\frac1x-\frac1{1-x^2}.
В точках x=0x=0 и x=1x=1 исходная функция равна нулю, поэтому логарифмической производной там нет.

б) Исключаем x=−3x=-3 и x=1x=1, где формула не определена, а также x=0x=0 и x=3x=3, где y=0y=0. На оставшихся промежуткахln⁡∣y∣=2ln⁡∣x∣−ln⁡∣1−x∣+13ln⁡∣3−x∣−23ln⁡∣3+x∣.\ln|y|=2\ln|x|-\ln|1-x|+\frac13\ln|3-x|-\frac23\ln|3+x|.Знаки в производных определяются производными внутренних выражений: (1−x)′=(3−x)′=−1(1-x)'=(3-x)'=-1, (3+x)′=1(3+x)'=1. Поэтомуy′y=2x+11−x−13(3−x)−23(3+x).\frac{y'}y=\frac2x+\frac1{1-x}-\frac1{3(3-x)}-\frac2{3(3+x)}.в) Например, на промежутке x>max⁡(a1,…,an)x>\max(a_1,\ldots,a_n) все основания положительны, и при любых вещественных αk\alpha_kln⁡y=∑k=1nαkln⁡(x−ak).\ln y=\sum_{k=1}^n\alpha_k\ln(x-a_k).Дифференцируя конечную сумму, получаемy′y=∑k=1nαkx−ak.\frac{y'}y=\sum_{k=1}^n\frac{\alpha_k}{x-a_k}.Та же формула с ln⁡∣y∣\ln|y| действует и на других открытых промежутках, где все множители определены, дифференцируемы и ненулевые. Множители с нулевыми показателями можно заранее удалить из произведения и соответствующие слагаемые — из суммы.

г) Поскольку 1+x2>∣x∣\sqrt{1+x^2}>|x|, основание x+1+x2x+\sqrt{1+x^2} положительно для любого xx. Значит,ln⁡y=nln⁡(x+1+x2),y′y=n1+x/1+x2x+1+x2.\ln y=n\ln(x+\sqrt{1+x^2}),
\qquad
\frac{y'}y=n\frac{1+x/\sqrt{1+x^2}}{x+\sqrt{1+x^2}}.
Приведём числитель внутренней дроби к общему знаменателю:1+x1+x2=1+x2+x1+x2.1+\frac{x}{\sqrt{1+x^2}}
=\frac{\sqrt{1+x^2}+x}{\sqrt{1+x^2}}.
Одинаковые ненулевые множители сокращаются, и получается y′/y=n/1+x2y'/y=n/\sqrt{1+x^2}.
Демидович № 984 — решение и ответ | Высшая математика — Профиматика