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Calculus · real student question

求导并化简结果:g(x) = eˣ·ln(x² + 1) / (√(sin x) + 2)。

Question

求导并化简结果:

g(x)=exln⁡(x2+1)sin⁡x+2g(x)=\frac{e^{x}\ln\left(x^{2}+1\right)}{\sqrt{\sin x}+2}

Step-by-step solution

  1. 动手之前先把结构看清楚。 这是一个商,它的分子本身是乘积,分母里还藏着一层链式法则。给各部分起名字,能让整个计算过程不出乱子:

    g(x)=u(x)v(x),u(x)=exln⁡(x2+1),v(x)=sin⁡x+2g(x)=\frac{u(x)}{v(x)},\qquad u(x)=e^{x}\ln\left(x^{2}+1\right),\qquad v(x)=\sqrt{\sin x}+2

    最外层用的工具是商法则

    g′(x)=u′(x)v(x)−u(x)v′(x)[v(x)]2g'(x)=\frac{u'(x)v(x)-u(x)v'(x)}{\left[v(x)\right]^{2}}

  2. 分子用乘积法则,内层再套一次链式法则。 由 (ex)′=ex\left(e^{x}\right)'=e^{x} 与 (ln⁡(x2+1))′=2xx2+1\left(\ln\left(x^{2}+1\right)\right)'=\dfrac{2x}{x^{2}+1}(对 ln⁡\ln 里的 x2+1x^{2}+1 用链式法则):

    u′(x)=exln⁡(x2+1)+ex⋅2xx2+1=ex(ln⁡(x2+1)+2xx2+1)u'(x)=e^{x}\ln\left(x^{2}+1\right)+e^{x}\cdot\frac{2x}{x^{2}+1}=e^{x}\left(\ln\left(x^{2}+1\right)+\frac{2x}{x^{2}+1}\right)

    这里马上把 exe^{x} 提出来,后面的代数化简会短很多。

  3. 再给分母求导。 把 sin⁡x\sqrt{\sin x} 写成 (sin⁡x)1/2\left(\sin x\right)^{1/2} 后用链式法则;常数 22 求导为零,不贡献任何东西:

    v′(x)=12(sin⁡x)−1/2cos⁡x=cos⁡x2sin⁡xv'(x)=\frac{1}{2}\left(\sin x\right)^{-1/2}\cos x=\frac{\cos x}{2\sqrt{\sin x}}

  4. 代入商法则拼装起来。 把四个部分依次代进去:

    g′(x)=ex(ln⁡(x2+1)+2xx2+1)(sin⁡x+2)−exln⁡(x2+1)⋅cos⁡x2sin⁡x(sin⁡x+2)2g'(x)=\frac{e^{x}\left(\ln\left(x^{2}+1\right)+\dfrac{2x}{x^{2}+1}\right)\left(\sqrt{\sin x}+2\right)-e^{x}\ln\left(x^{2}+1\right)\cdot\dfrac{\cos x}{2\sqrt{\sin x}}}{\left(\sqrt{\sin x}+2\right)^{2}}

  5. 提出公因子 exe^{x} 化简。 分子的两项都带着 exe^{x},把它提到外面:

    g′(x)=ex[(ln⁡(x2+1)+2xx2+1)(sin⁡x+2)−ln⁡(x2+1)cos⁡x2sin⁡x](sin⁡x+2)2g'(x)=\frac{e^{x}\left[\left(\ln\left(x^{2}+1\right)+\dfrac{2x}{x^{2}+1}\right)\left(\sqrt{\sin x}+2\right)-\dfrac{\ln\left(x^{2}+1\right)\cos x}{2\sqrt{\sin x}}\right]}{\left(\sqrt{\sin x}+2\right)^{2}}

    再往下就约不动了,因为对数和根式之间没有公因式。

  6. 注意定义域,并做数值检验。 这个式子要求 sin⁡x>0\sin x>0——必须严格大于零,而不只是非负,因为求导之后 sin⁡x\sqrt{\sin x} 落在了分母上——所以 x∈(2kπ,(2k+1)π)x\in(2k\pi,(2k+1)\pi)。在 x=0.5,1,2,2.9x=0.5,1,2,2.9 处取 h=10−6h=10^{-6} 作 gg 的中心差商与公式对照,两边都给出 0.59436970.5943697、1.51243251.5124325、6.32524116.3252411 与 27.395139227.3951392,前七位有效数字完全一致。

Answer

g′(x)=ex[(ln⁡(x2+1)+2xx2+1)(sin⁡x+2)−ln⁡(x2+1)cos⁡x2sin⁡x](sin⁡x+2)2g'(x)=\frac{e^{x}\left[\left(\ln\left(x^{2}+1\right)+\frac{2x}{x^{2}+1}\right)\left(\sqrt{\sin x}+2\right)-\frac{\ln\left(x^{2}+1\right)\cos x}{2\sqrt{\sin x}}\right]}{\left(\sqrt{\sin x}+2\right)^{2}}

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