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数学基础 -- 指数函数与对数函数的推导过程

2025/9/6 15:12:53 来源:https://blog.csdn.net/sz66cm/article/details/141289828  浏览:    关键词:数学基础 -- 指数函数与对数函数的推导过程

指数函数求导的推导过程可以通过定义极限和链式法则来实现。以下是详细推导过程,以自然指数函数 f ( x ) = e g ( x ) f(x) = e^{g(x)} f(x)=eg(x) 为例:

1. 基本指数函数 f ( x ) = e x f(x) = e^x f(x)=ex 的求导推导:

步骤1:利用导数的定义

导数的定义为:
f ′ ( x ) = lim ⁡ Δ x → 0 f ( x + Δ x ) − f ( x ) Δ x f'(x) = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{f(x + \Delta x) - f(x)}{\Delta x} f(x)=Δx0limΔxf(x+Δx)f(x)
对于函数 f ( x ) = e x f(x) = e^x f(x)=ex,可以写为:
f ′ ( x ) = lim ⁡ Δ x → 0 e x + Δ x − e x Δ x f'(x) = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{e^{x + \Delta x} - e^x}{\Delta x} f(x)=Δx0limΔxex+Δxex

步骤2:化简表达式

利用指数函数的性质 e x + Δ x = e x ⋅ e Δ x e^{x + \Delta x} = e^x \cdot e^{\Delta x} ex+Δx=exeΔx,代入上式:
f ′ ( x ) = lim ⁡ Δ x → 0 e x ⋅ e Δ x − e x Δ x f'(x) = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{e^x \cdot e^{\Delta x} - e^x}{\Delta x} f(x)=Δx0limΔxexeΔxex
e x e^x ex 提出来:
f ′ ( x ) = e x ⋅ lim ⁡ Δ x → 0 e Δ x − 1 Δ x f'(x) = e^x \cdot \lim_{\Delta x \to 0} \frac{e^{\Delta x} - 1}{\Delta x} f(x)=exΔx0limΔxeΔx1

步骤3:计算极限

这个极限 lim ⁡ Δ x → 0 e Δ x − 1 Δ x \lim_{\Delta x \to 0} \frac{e^{\Delta x} - 1}{\Delta x} limΔx0ΔxeΔx1 是一个已知的极限,其结果为1。因此:
f ′ ( x ) = e x ⋅ 1 = e x f'(x) = e^x \cdot 1 = e^x f(x)=ex1=ex

因此,自然指数函数 e x e^x ex 的导数为 e x e^x ex

2. 一般指数函数 f ( x ) = a x f(x) = a^x f(x)=ax 的求导推导:

步骤1:将一般指数函数转化为自然指数函数形式

利用指数函数的转换公式 a x = e x ln ⁡ ( a ) a^x = e^{x \ln(a)} ax=exln(a),所以:
f ( x ) = a x = e x ln ⁡ ( a ) f(x) = a^x = e^{x \ln(a)} f(x)=ax=exln(a)

步骤2:对自然指数函数求导

现在,我们可以对 e x ln ⁡ ( a ) e^{x \ln(a)} exln(a) 进行求导。根据链式法则:
f ′ ( x ) = e x ln ⁡ ( a ) ⋅ d d x ( x ln ⁡ ( a ) ) f'(x) = e^{x \ln(a)} \cdot \frac{d}{dx} (x \ln(a)) f(x)=exln(a)dxd(xln(a))
其中 d d x ( x ln ⁡ ( a ) ) = ln ⁡ ( a ) \frac{d}{dx} (x \ln(a)) = \ln(a) dxd(xln(a))=ln(a)。因此:
f ′ ( x ) = e x ln ⁡ ( a ) ⋅ ln ⁡ ( a ) = a x ⋅ ln ⁡ ( a ) f'(x) = e^{x \ln(a)} \cdot \ln(a) = a^x \cdot \ln(a) f(x)=exln(a)ln(a)=axln(a)

3. 对复合指数函数 f ( x ) = e g ( x ) f(x) = e^{g(x)} f(x)=eg(x) 的求导:

步骤1:应用链式法则

假设 f ( x ) = e g ( x ) f(x) = e^{g(x)} f(x)=eg(x),其中 g ( x ) g(x) g(x) x x x 的函数。根据链式法则:
f ′ ( x ) = e g ( x ) ⋅ g ′ ( x ) f'(x) = e^{g(x)} \cdot g'(x) f(x)=eg(x)g(x)
这里的 e g ( x ) e^{g(x)} eg(x) 是外函数的导数,乘以内函数 g ( x ) g(x) g(x) 的导数 g ′ ( x ) g'(x) g(x)

总结

  • 对于自然指数函数 e x e^x ex,其导数为 e x e^x ex
  • 对于一般指数函数 a x a^x ax,其导数为 a x ⋅ ln ⁡ ( a ) a^x \cdot \ln(a) axln(a)
  • 对于复合指数函数 e g ( x ) e^{g(x)} eg(x),其导数为 e g ( x ) ⋅ g ′ ( x ) e^{g(x)} \cdot g'(x) eg(x)g(x)

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