反函式的導數

Basis
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先備知識

若你知道如何對 ff 求導,能否立刻對其反函式 f−1f^{-1} 求導?答案是肯定的,前提是 f′f' 不為零。這為 ln⁡x\ln x、arcsin⁡x\arcsin x、arctan⁡x\arctan x 以及所有其他反函式的導數提供了高效的捷徑。

反函式微分公式

定理。 設 ff 在開區間 II 上連續且嚴格單調、在 II 上可微,且對所有 x∈Ix \in I,f′(x)≠0f'(x) \neq 0。則 f−1f^{-1} 在 f(I)f(I) 上可微,且

(f−1)′(y)  =  1f′(f−1(y)).(1)(f^{-1})'(y) \;=\; \frac{1}{f'(f^{-1}(y))}. \tag{1}

證明。 固定 y0=f(x0)∈f(I)y_0 = f(x_0) \in f(I),令 y=f(x)y = f(x) 且 y≠y0y \neq y_0。則 x≠x0x \neq x_0,且

f−1(y)−f−1(y0)y−y0  =  x−x0f(x)−f(x0).\frac{f^{-1}(y) - f^{-1}(y_0)}{y - y_0} \;=\; \frac{x - x_0}{f(x) - f(x_0)}.

當 y→y0y \to y_0 時,f−1f^{-1} 的連續性(由 ff 的嚴格單調性和連續性推出)給出 x=f−1(y)→x0x = f^{-1}(y) \to x_0。由於 f′(x0)≠0f'(x_0) \neq 0,

lim⁡y→y0x−x0f(x)−f(x0)  =  1f′(x0)  =  1f′(f−1(y0)).  □\lim_{y \to y_0}\frac{x - x_0}{f(x) - f(x_0)} \;=\; \frac{1}{f'(x_0)} \;=\; \frac{1}{f'(f^{-1}(y_0))}. \;\square

萊布尼茲記號:若 y=f(x)y = f(x),則 dxdy=1 dydx \dfrac{dx}{dy} = \dfrac{1}{\,\dfrac{dy}{dx}\,}。

ln⁡x\ln x 的導數

令 f(x)=exf(x) = e^x,則 f−1(y)=ln⁡yf^{-1}(y) = \ln y。因為 f′(x)=ex≠0f'(x) = e^x \neq 0,公式 (1)(1) 給出

(ln⁡y)′  =  1eln⁡y  =  1y.(\ln y)' \;=\; \frac{1}{e^{\ln y}} \;=\; \frac{1}{y}.

即 ddx(ln⁡x)=1x\dfrac{d}{dx}(\ln x) = \dfrac{1}{x}(x>0x > 0)。

反三角函式的導數

反正弦函式

將 f(x)=sin⁡xf(x) = \sin x 限制在 [−π/2,π/2][-\pi/2, \pi/2] 上。則 f−1(y)=arcsin⁡yf^{-1}(y) = \arcsin y(y∈(−1,1)y \in (-1,1)),且在開區間上 f′(x)=cos⁡x>0f'(x) = \cos x > 0。在 x=arcsin⁡yx = \arcsin y 處:cos⁡x=1−sin⁡2x=1−y2\cos x = \sqrt{1-\sin^2 x} = \sqrt{1-y^2},故

(arcsin⁡y)′  =  11−y2.(\arcsin y)' \;=\; \frac{1}{\sqrt{1-y^2}}.

反餘弦函式

將 f(x)=cos⁡xf(x) = \cos x 限制在 [0,π][0,\pi] 上,則 f−1(y)=arccos⁡yf^{-1}(y) = \arccos y,在 (0,π)(0,\pi) 上 f′(x)=−sin⁡x<0f'(x) = -\sin x < 0。在 x=arccos⁡yx = \arccos y 處:sin⁡x=1−y2\sin x = \sqrt{1-y^2},故

(arccos⁡y)′  =  −11−y2.(\arccos y)' \;=\; \frac{-1}{\sqrt{1-y^2}}.

注意:(arcsin⁡x)′+(arccos⁡x)′=0(\arcsin x)' + (\arccos x)' = 0,與恆等式 arcsin⁡x+arccos⁡x=π/2\arcsin x + \arccos x = \pi/2 一致。

反正切函式

將 f(x)=tan⁡xf(x) = \tan x 限制在 (−π/2,π/2)(-\pi/2, \pi/2) 上。則在 y=tan⁡xy = \tan x 處,f′(x)=1+tan⁡2x=1+y2f'(x) = 1 + \tan^2 x = 1 + y^2,故

(arctan⁡y)′  =  11+y2.(\arctan y)' \;=\; \frac{1}{1+y^2}.

摘要

  • 反函式法則:(f−1)′(y)=1f′(f−1(y))(f^{-1})'(y) = \dfrac{1}{f'(f^{-1}(y))},在 ff 嚴格單調且 f′≠0f' \neq 0 時成立。
  • (ln⁡x)′=1/x(\ln x)' = 1/x,由 (ex)′=ex(e^x)' = e^x 取反函式導出。
  • (arcsin⁡x)′=1/1−x2(\arcsin x)' = 1/\sqrt{1-x^2},  (arccos⁡x)′=−1/1−x2\;(\arccos x)' = -1/\sqrt{1-x^2},  (arctan⁡x)′=1/(1+x2)\;(\arctan x)' = 1/(1+x^2)。