题目
72 中等题 设函数f(x)=}(x)/(2x-1),&x<0e^xsin x,&xgeqslant0,求f'(x).
72 中等题 设函数$f(x)=\begin{cases}\frac{x}{2x-1},&x<0\\e^{x}\sin x,&x\geqslant0\end{cases}$,求f'(x).
题目解答
答案
当 $x < 0$ 时,$f(x) = \frac{x}{2x-1}$,使用商法则求导得:
$f'(x) = \frac{(1)(2x-1) - (x)(2)}{(2x-1)^2} = \frac{2x-1-2x}{(2x-1)^2} = -\frac{1}{(2x-1)^2}.$
当 $x > 0$ 时,$f(x) = e^x \sin x$,使用乘积法则求导得:
$f'(x) = e^x \sin x + e^x \cos x = e^x(\sin x + \cos x).$
当 $x = 0$ 时,由导数定义:
$f'(0^+) = \lim_{h \to 0^+} \frac{e^h \sin h - 0}{h} = \lim_{h \to 0^+} \frac{e^h \sin h}{h} = 1,$
$f'(0^-) = \lim_{h \to 0^-} \frac{\frac{h}{2h-1} - 0}{h} = \lim_{h \to 0^-} \frac{h}{h(2h-1)} = \lim_{h \to 0^-} \frac{1}{2h-1} = -1.$
由于 $f'(0^+) \neq f'(0^-)$,$f'(0)$ 不存在。
结论:
$f'(x) = \begin{cases} -\frac{1}{(2x-1)^2}, & x < 0, \\ \text{不存在}, & x = 0, \\ e^x(\sin x + \cos x), & x > 0. \end{cases}$
解析
本题考查分段函数的求导,解题思路是分别对分段函数的不同区间进行求导,对于分段点处的导数,需要使用导数的定义来判断其是否存在。
- 当$x < 0$时:
- 此时$f(x)=\frac{x}{2x - 1}$,根据商法则$(\frac{u}{v})^\prime=\frac{u^\prime v - uv^\prime}{v^2}$,其中$u = x$,$v = 2x - 1$。
- 先求$u^\prime$和$v^\prime$,对$u = x$求导,根据求导公式$(x^n)^\prime=nx^{n - 1}$,可得$u^\prime=(x)^\prime = 1$;对$v = 2x - 1$求导,可得$v^\prime=(2x - 1)^\prime = 2$。
- 将$u$、$v$、$u^\prime$、$v^\prime$代入商法则公式,可得:
$f^\prime(x)=\frac{(1)(2x - 1) - (x)(2)}{(2x - 1)^2}$
$=\frac{2x - 1 - 2x}{(2x - 1)^2}$
$=-\frac{1}{(2x - 1)^2}$
- 当$x > 0$时:
- 此时$f(x)=e^x\sin x$,根据乘积法则$(uv)^\prime=u^\prime v + uv^\prime$,其中$u = e^x$,$v = \sin x$。
- 先求$u^\prime$和$v^\prime$,对$u = e^x$求导,根据求导公式$(e^x)^\prime=e^x$,可得$u^\prime=(e^x)^\prime = e^x$;对$v = \sin x$求导,根据求导公式$(\sin x)^\prime=\cos x$,可得$v^\prime=(\sin x)^\prime = \cos x$。
- 将$u$、$v$、$u^\prime$、$v^\prime$代入乘积法则公式,可得:
$f^\prime(x)=e^x\sin x + e^x\cos x$
$=e^x(\sin x + \cos x)$
- 当$x = 0$时:
- 求右导数$f^\prime(0^+)$,根据导数定义$f^\prime(0^+) = \lim_{h \to 0^+} \frac{f(0 + h) - f(0)}{h}$,已知$f(0)=e^0\sin 0 = 0$,$f(0 + h)=e^h\sin h$,则:
$f^\prime(0^+) = \lim_{h \to 0^+} \frac{e^h\sin h - 0}{h}$
$=\lim_{h \to 0^+} \frac{e^h\sin h}{h}$
因为$\lim_{h \to 0^+} \frac{\sin h}{h}=1$,$\lim_{h \to 0^+} e^h = 1$,根据极限的乘法法则$\lim_{x \to a} [f(x)g(x)] = \lim_{x \to a} f(x) \cdot \lim_{x \to a} g(x)$,可得:
$f^\prime(0^+) = \lim_{h \to 0^+} e^h \cdot \lim_{h \to 0^+} \frac{\sin h}{h}=1\times1 = 1$ - 求左导数$f^\prime(0^-)$,根据导数定义$f^\prime(0^-) = \lim_{h \to 0^-} \frac{f(0 + h) - f(0)}{h}$,已知$f(0)=0$,$f(0 + h)=\frac{h}{2h - 1}$,则:
$f^\prime(0^-) = \lim_{h \to 0^-} \frac{\frac{h}{2h - 1} - 0}{h}$
$=\lim_{h \to 0^-} \frac{h}{h(2h - 1)}$
$=\lim_{h \to 0^-} \frac{1}{2h - 1}$
将$h = 0$代入$\frac{1}{2h - 1}$,可得$f^\prime(0^-) = -1$。 - 由于$f^\prime(0^+) \neq f^\prime(0^-)$,所以$f^\prime(0)$不存在。
- 求右导数$f^\prime(0^+)$,根据导数定义$f^\prime(0^+) = \lim_{h \to 0^+} \frac{f(0 + h) - f(0)}{h}$,已知$f(0)=e^0\sin 0 = 0$,$f(0 + h)=e^h\sin h$,则: