5.已知f(x)二阶可导,且f(x)≠0,varphi(x)=lim_(tto0)((f(x+t))/(f(x)))^(1)/(sin t),则varphi^prime(x)=___
题目解答
答案
设函数 $\varphi(x) = \lim_{t \to 0} \left( \frac{f(x+t)}{f(x)} \right)^{\frac{1}{\sin t}}$,其中 $f(x)$ 二阶可导且 $f(x) \neq 0$。求 $\varphi'(x)$。
核心步骤:
-
取对数化简极限
令 $y = \left( \frac{f(x+t)}{f(x)} \right)^{\frac{1}{\sin t}}$,则
$\ln y = \frac{\ln f(x+t) - \ln f(x)}{\sin t}.$
利用等价无穷小 $\sin t \sim t$(当 $t \to 0$),得
$\lim_{t \to 0} \ln y = \lim_{t \to 0} \frac{\ln f(x+t) - \ln f(x)}{t} = \frac{f'(x)}{f(x)}.$ -
还原原函数表达式
由上式得
$\varphi(x) = e^{\frac{f'(x)}{f(x)}}.$ -
对 $\varphi(x)$ 求导
使用链式法则和商法则:
$\varphi'(x) = e^{\frac{f'(x)}{f(x)}} \cdot \left( \frac{f'(x)}{f(x)} \right)' = e^{\frac{f'(x)}{f(x)}} \cdot \frac{f''(x)f(x) - [f'(x)]^2}{[f(x)]^2}.$
解析
本题考查函数极限的计算、复合函数求导法则以及商的求导法则。解题的关键思路是先通过取对数将指数形式的极限化简,再利用等价无穷小和导数的定义求出极限,得到$\varphi(x)$的表达式,最后对$\varphi(x)$求导。
- 取对数化简极限:
设$y = \left( \frac{f(x+t)}{f(x)} \right)^{\frac{1}{\sin t}}$,对其两边取自然对数可得$\ln y = \frac{\ln f(x+t) - \ln f(x)}{\sin t}$。 - 计算$\lim_{t \to 0} \ln y$:
当$t \to 0$时,$\sin t \sim t$(等价无穷小),则$\lim_{t \to 0} \ln y = \lim_{t \to 0} \frac{\ln f(x+t) - \ln f(x)}{t}$。
根据导数的定义,函数$g(x)$在$x$处的导数$g^\prime(x)=\lim_{h \to 0} \frac{g(x+h) - g(x)}{h}$,令$g(x)=\ln f(x)$,则$\lim_{t \to 0} \frac{\ln f(x+t) - \ln f(x)}{t}=(\ln f(x))^\prime$。
根据复合函数求导法则$(\ln u)^\prime=\frac{1}{u}\cdot u^\prime$,这里$u = f(x)$,所以$(\ln f(x))^\prime=\frac{f^\prime(x)}{f(x)}$,即$\lim_{t \to 0} \ln y = \frac{f^\prime(x)}{f(x)}$。 - 还原$\varphi(x)$的表达式:
因为$\lim_{t \to 0} \ln y = \frac{f^\prime(x)}{f(x)}$,且$y = \varphi(x)$,根据对数函数与指数函数的关系$y = e^{\ln y}$,可得$\varphi(x) = e^{\frac{f^\prime(x)}{f(x)}}$。 - 对$\varphi(x)$求导:
根据复合函数求导法则$(e^u)^\prime=e^u\cdot u^\prime$,令$u = \frac{f^\prime(x)}{f(x)}$,则$\varphi^\prime(x) = e^{\frac{f^\prime(x)}{f(x)}} \cdot \left( \frac{f^\prime(x)}{f(x)} \right)^\prime$。
再根据商的求导法则$(\frac{u}{v})^\prime=\frac{u^\prime v - uv^\prime}{v^2}$,这里$u = f^\prime(x)$,$v = f(x)$,所以$\left( \frac{f^\prime(x)}{f(x)} \right)^\prime = \frac{f^{\prime\prime}(x)f(x) - [f^\prime(x)]^2}{[f(x)]^2}$。
因此,$\varphi^\prime(x) = e^{\frac{f^\prime(x)}{f(x)}} \cdot \frac{f^{\prime\prime}(x)f(x) - [f^\prime(x)]^2}{[f(x)]^2}$。