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2.3 复合函数的导数

导数及其运算与应用 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 复合函数求导法则:外层函数对中间变量求导,乘以中间变量对自变量求导。

从哪来 它建立在8.1 数形结合之上。通过“数”的代数运算规则与“形”的几何直观(如切线斜率的传递性)相结合,理解导数作为变化率在不同层级变量间的传递机制。

为什么 复合函数 $y=f(g(x))$ 的变化率由两部分共同决定:一是外层函数 $f(u)$ 随中间变量 $u$ 的变化快慢(局部变化率),二是中间变量 $u=g(x)$ 随自变量 $x$ 的变化快慢(输入变化率)。根据链式法则,总变化率是这两个局部变化率的乘积。这体现了“整体变化 = 外层敏感度 × 内层变化速度”的逻辑,而非简单的相加或独立计算。

“齿轮传动”模型**。 * **适合学生
形象思维强、对抽象代数公式感到困难的学生。 * 讲解:想象两个齿轮啮合。$x$ 是动力源,$u$ 是中间齿轮,$y$ 是输出齿轮。$x$ 转一圈,$u$ 转 $\frac{du}{dx}$ 圈;$u$ 转一圈,$y$ 转 $\frac{dy}{du}$ 圈。所以 $x$ 转一圈,$y$ 总共转 $\frac{dy}{du} \cdot \frac{du}{dx}$ 圈。强调“乘积”关系是传动比的叠加。
“剥洋葱”分层法**。 * **适合学生
逻辑清晰、擅长结构化分析的学生。 * 讲解:将复合函数看作层层包裹的结构。求导时,从最外层开始,逐层向内剥离。每剥一层,就对该层函数求导,并保留内层函数不变,直到剥到最内层。最后将所有层的导数相乘。口诀:“由外向内,逐层求导,最后相乘”。
“变量替换”代数推导**。 * **适合学生
代数基础扎实、喜欢严谨推导的学生。 * 讲解:设 $u=g(x)$,则 $y=f(u)$。根据导数定义 $\frac{dy}{dx} = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{\Delta y}{\Delta x}$。利用中间变量 $\Delta u$,将 $\frac{\Delta y}{\Delta x}$ 拆分为 $\frac{\Delta y}{\Delta u} \cdot \frac{\Delta u}{\Delta x}$。当 $\Delta x \to 0$ 时,$\Delta u \to 0$(假设 $g(x)$ 连续),从而得到 $\frac{dy}{dx} = \frac{dy}{du} \cdot \frac{du}{dx}$。强调这是极限运算的代数结果。
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练一道
基础题
求 $y = (3x^2 + 1)^5$ 的导数。
变式
求 $y = \sin(\cos(x^2))$ 的导数。
试试手自己判
检测题
求函数 $y = e^{x^2 \sin x}$ 的导数。
看答案和判分标准
答案:$y' = e^{x^2 \sin x} \cdot (2x \sin x + x^2 \cos x)$
判对标准:
1. 外层指数函数导数正确:$e^{u}$ 的导数为 $e^{u} \cdot u'$。
2. 内层 $u = x^2 \sin x$ 的导数正确:使用乘法法则,$u' = 2x \sin x + x^2 \cos x$。
3. 最终结果为两者乘积,且符号、项数无误。
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