Calculus · real student question

Найти производную функции y = (x − 1)^x.

Question

Найти производную функции

y=(x1)xy=(x-1)^x

Step-by-step solution

  1. Понимаем, почему обычные правила не работают. Правилу степени ddxxn=nxn1\frac{d}{dx}x^n=nx^{n-1} нужен постоянный показатель, а правилу для показательной функции ddxax=axlna\frac{d}{dx}a^x=a^x\ln aпостоянное основание. Здесь же меняются и основание x1x-1, и показатель xx, поэтому ни одно правило не применимо, а их смешение даёт бессмыслицу. Выход — логарифмическое дифференцирование.

  2. Сначала указываем область определения. Чтобы (x1)x(x-1)^x имело смысл как действительная степень с переменным показателем, основание должно быть положительным:

    x1>0x>1x-1>0\qquad\Longleftrightarrow\qquad x>1

    Всё дальнейшее верно на (1,)(1,\infty) — там же, где определён и ln(x1)\ln(x-1).

  3. Логарифмируем обе части по натуральному основанию. Логарифм превращает показатель в множитель, в чём и состоит весь приём:

    lny=ln((x1)x)=xln(x1)\ln y=\ln\bigl((x-1)^x\bigr)=x\ln(x-1)

    Справа теперь обычное произведение двух хорошо знакомых функций.

  4. Дифференцируем обе части по xx. Слева yy — функция от xx, поэтому по правилу дифференцирования сложной функции получаем 1yy\frac{1}{y}\,y' — здесь и вступает в дело неявное дифференцирование. Справа применяем правило произведения:

    ddx(xln(x1))=1ln(x1)+x1x1\frac{d}{dx}\bigl(x\ln(x-1)\bigr)=1\cdot\ln(x-1)+x\cdot\frac{1}{x-1}

    отсюда

    yy=ln(x1)+xx1\frac{y'}{y}=\ln(x-1)+\frac{x}{x-1}

  5. Выражаем yy' и возвращаем исходную функцию. Умножаем на yy и подставляем y=(x1)xy=(x-1)^x:

    y=(x1)x(ln(x1)+xx1)\boxed{\,y'=(x-1)^x\left(\ln(x-1)+\frac{x}{x-1}\right)\,}

    Ответ обязательно содержит исходное выражение множителем — это характерная черта логарифмического дифференцирования, а потерянный впереди (x1)x(x-1)^x — типичная ошибка.

  6. Проверяем численно. При x=3x=3 формула даёт 23(ln2+32)=8(0.6931+1.5)17.5452^3\left(\ln 2+\tfrac{3}{2}\right)=8(0.6931+1.5)\approx 17.545. Центральная разностная производная с шагом h=106h=10^{-6} для (x1)x(x-1)^x в точке x=3x=3 даёт 17.545217.5452, значит, производная найдена верно. Этот же шаблон работает для любой функции вида f(x)g(x)f(x)^{g(x)}: её производная равна fg(glnf+gff)f^g\left(g'\ln f+\frac{gf'}{f}\right).

Answer

(x1)x(ln(x1)+xx1),x>1(x-1)^x\left(\ln(x-1)+\frac{x}{x-1}\right),\qquad x>1

Need to solve a different problem like this? Open the solver →