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Calculus · real student question

求 y = (x - 1)^x 的導函數。

Question

求

y=(x−1)xy=(x-1)^x

的導函數。

Step-by-step solution

  1. 先看清為什麼標準公式都用不上。 乘冪法則 ddxxn=nxn−1\frac{d}{dx}x^n=nx^{n-1} 需要常數指數,指數法則 ddxax=axln⁡a\frac{d}{dx}a^x=a^x\ln a 需要常數底數。這裡底數 x−1x-1 與指數 xx 都在變,所以兩個公式都不能用,把它們混著用只會得到胡說八道。解法是對數微分法。

  2. 先寫出定義域。 要讓 (x−1)x(x-1)^x 在指數會變動的情況下仍是實數次方,底數必須為正:

    x−1>0⟺x>1x-1>0\qquad\Longleftrightarrow\qquad x>1

    以下所有推導都在 (1,∞)(1,\infty) 上成立,而這也正好是 ln⁡(x−1)\ln(x-1) 有意義的範圍。

  3. 兩邊取自然對數。 對數會把指數變成係數,這就是整個做法的重點:

    ln⁡y=ln⁡((x−1)x)=xln⁡(x−1)\ln y=\ln\bigl((x-1)^x\bigr)=x\ln(x-1)

    右邊現在是兩個熟悉函數的普通乘積。

  4. 兩邊對 xx 微分。 左邊的 yy 是 xx 的函數,所以連鎖律給出 1y y′\frac{1}{y}\,y'——隱函數微分就是在這裡進場的。右邊則用乘積律:

    ddx(xln⁡(x−1))=1⋅ln⁡(x−1)+x⋅1x−1\frac{d}{dx}\bigl(x\ln(x-1)\bigr)=1\cdot\ln(x-1)+x\cdot\frac{1}{x-1}

    所以

    y′y=ln⁡(x−1)+xx−1\frac{y'}{y}=\ln(x-1)+\frac{x}{x-1}

  5. 解出 y′y' 並把原函數代回去。 兩邊乘上 yy,再用 y=(x−1)xy=(x-1)^x 取代:

     y′=(x−1)x(ln⁡(x−1)+xx−1) \boxed{\,y'=(x-1)^x\left(\ln(x-1)+\frac{x}{x-1}\right)\,}

    答案裡一定會含有原式當因式——這是對數微分法的典型特徵,而前面漏掉 (x−1)x(x-1)^x 正是最常見的錯誤。

  6. 用數值檢查。 在 x=3x=3 時公式給出 23(ln⁡2+32)=8(0.6931+1.5)≈17.5452^3\left(\ln 2+\tfrac{3}{2}\right)=8(0.6931+1.5)\approx 17.545。對 (x−1)x(x-1)^x 在 x=3x=3 取 h=10−6h=10^{-6} 的中央差分商得到 17.545217.5452,所以導函數沒錯。同一套模板適用於任何 f(x)g(x)f(x)^{g(x)}:它的導函數是 fg(g′ln⁡f+gf′f)f^g\left(g'\ln f+\frac{gf'}{f}\right)。

Answer

(x−1)x(ln⁡(x−1)+xx−1),x>1(x-1)^x\left(\ln(x-1)+\frac{x}{x-1}\right),\qquad x>1

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