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指数函数导数证明 ​

发表: 4/28/2026 更新: 5/22/2026 字数: 0 字 时长: 0 分钟

对于ax,证明其导数(ax)′=axln⁡a.

自然常数 e

前提① 定义自然对数的底 e ​

数学上通常将 e 定义为一个极限:
e=limn→∞(1+1n)n
或者等价地,在连续变量下:
limt→0(1+t)1t=e

方法一:导数定义 ① ​

f(x)=ax
f′(x)=limΔx→0f(x+Δx)−f(x)Δx=limΔx→0ax+Δx−axΔx=axlimΔx→0aΔx−1Δx.
设L=limh→0ah−1h
令ah−1=t⇒h=loga⁡(1+t),当h→0⇒t→0.
L=limt→0tloga⁡(1+t)=limt→011tloga⁡(1+t)=limt→01loga⁡(1+t)1t
∵limt→0(1+t)1t=e, 且已知对数函数是连续的(可导必然连续)
∴L=1lna⁡e=ln⁡a
∴f′(x)=axlimΔx→0aΔx−1Δx=ax⋅L=axln⁡a.

关于极限 '路上' 与 '终点' 的悖论

在数学上,函数 f(x) 具有连续性的定义之一就是极限符号可以与函数符号互换位置.
即: limx→x0f(g(x))=f(limx→x0g(x))
如 limt→0loga⁡(1+t)1t=loga⁡limt→0(1+t)1t, 如果 loga⁡x 不连续则该等式不成立.
设函数h(x):
{h(x)=100,x=eh(x)=0,x≠e
则{limt→0loga⁡(1+t)1t=0;loga⁡limt→0(1+t)1t=100.
limt→0h(g(t))是动态趋近的过程,该过程先进行h(g(t))的运算,再整体取极限.
在t→0的动态过程中,对于g(t),这意味着g(t)只是无限接近e但不等于e.
所以h(g(t))≡0.
而对于h(limt→0g(x)),优先完成limt→0g(t)的极限运算(直接提取静态目标)
得到的结果是h(e)=100.

对数函数求导

前提② 证明对数函数的导数 ​

证:

f(x)=ln⁡x
根据导数定义:f′(x)=limΔx→0ln⁡(x+Δx)−ln⁡xΔx.
左=limΔx→0ln⁡(1+Δxx)Δx=limΔx→0ln⁡(1+Δxx)1Δx=limΔx→0ln⁡[(1+Δxx)xΔx]1x.
∵当Δx→0时,Δxx→0,xΔx→∞
∴f′(x)=ln⁡e1x=1x.

方法二:隐函数 ①② ​

y=ax
两边取对数:ln⁡y=ln⁡ax=xln⁡a
两边对x求导:左边是复合函数ln⁡(y(x)),导数为1yy′
⇒1yy′=ln⁡a
⇒y′=yln⁡a
⇒(ax)′=axln⁡a

自然指数函数求导

前提③ 证明自然指数函数的导数 ​

证:

∵y=ex 是 x=ln⁡y 的反函数
根据反函数的求导法则:dydx=1dxdy 且 dxdy=1y
⇒dydx=11y=y=ex
即(ex)′=ex.

方法三:自然对数 ①②③ ​

y=ax=exln⁡a
根据复合函数求导法则:ddx(ax)=exln⁡a⋅lna
∵exln⁡a=ax
∴(ax)′=axln⁡a

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