设 f(n)(x)f^{(n)}(x) 表示函数 f(x)f(x) 的 nn 阶导数。

一、常见函数的高阶导数

1. 幂函数

若 f(x)=xmf(x)=x^m,则

f(n)(x)=m(m−1)⋯(m−n+1)xm−n\boxed{ f^{(n)}(x) =m(m-1)\cdots(m-n+1)x^{m-n} }

当 mm 为非负整数且 n≤mn\le m 时,也可以写成

(xm)(n)=m!(m−n)!xm−n\boxed{ (x^m)^{(n)} =\frac{m!}{(m-n)!}x^{m-n} }

若 n>mn>m,则 (xm)(n)=0\boxed{(x^m)^{(n)}=0}。

更一般地,对任意实数 α\alpha:

(xα)(n)=α(α−1)⋯(α−n+1)xα−n\boxed{ (x^\alpha)^{(n)} =\alpha(\alpha-1)\cdots(\alpha-n+1)x^{\alpha-n} }

2. 指数函数

(ex)(n)=ex\boxed{(e^x)^{(n)}=e^x}

更常用的形式为

(eax+b)(n)=aneax+b\boxed{ (e^{ax+b})^{(n)}=a^n e^{ax+b} }

对于一般指数函数:

(ax)(n)=(ln⁡a)nax\boxed{ (a^x)^{(n)}=(\ln a)^n a^x }

3. 三角函数

正弦函数

(sin⁡x)(n)=sin⁡(x+nπ2)\boxed{ (\sin x)^{(n)} =\sin\left(x+\frac{n\pi}{2}\right) }

其导数按以下顺序循环:

sin⁡x→cos⁡x→−sin⁡x→−cos⁡x→sin⁡x\sin x\to\cos x\to-\sin x\to-\cos x\to\sin x

若 f(x)=sin⁡(ax+b)f(x)=\sin(ax+b),则

f(n)(x)=ansin⁡(ax+b+nπ2)\boxed{ f^{(n)}(x) =a^n\sin\left(ax+b+\frac{n\pi}{2}\right) }

余弦函数

(cos⁡x)(n)=cos⁡(x+nπ2)\boxed{ (\cos x)^{(n)} =\cos\left(x+\frac{n\pi}{2}\right) }

因此

[cos⁡(ax+b)](n)=ancos⁡(ax+b+nπ2)\boxed{ [\cos(ax+b)]^{(n)} =a^n\cos\left(ax+b+\frac{n\pi}{2}\right) }

4. 对数函数

当 n≥1n\ge 1 时:

(ln⁡x)(n)=(−1)n−1(n−1)!xn\boxed{ (\ln x)^{(n)} =(-1)^{n-1}\frac{(n-1)!}{x^n} }

例如:

(ln⁡x)′=1x,(ln⁡x)′′=−1x2,(ln⁡x)′′′=2x3(\ln x)'=\frac{1}{x},\qquad (\ln x)''=-\frac{1}{x^2},\qquad (\ln x)'''=\frac{2}{x^3}

更一般地:

[ln⁡(ax+b)](n)=(−1)n−1(n−1)!an(ax+b)n\boxed{ [\ln(ax+b)]^{(n)} =(-1)^{n-1}(n-1)!\frac{a^n}{(ax+b)^n} }

5. 倒数型函数

由于 1x=x−1\frac{1}{x}=x^{-1},因此

(1x)(n)=(−1)nn!xn+1\boxed{ \left(\frac{1}{x}\right)^{(n)} =(-1)^n\frac{n!}{x^{n+1}} }

更常见的形式为

(1ax+b)(n)=(−1)nn!an(ax+b)n+1\boxed{ \left(\frac{1}{ax+b}\right)^{(n)} =(-1)^n n!\frac{a^n}{(ax+b)^{n+1}} }

一般地,若 f(x)=(ax+b)αf(x)=(ax+b)^\alpha,则

f(n)(x)=anα(α−1)⋯(α−n+1)(ax+b)α−n\boxed{ f^{(n)}(x) =a^n\alpha(\alpha-1)\cdots(\alpha-n+1) (ax+b)^{\alpha-n} }

这个公式对处理一次函数幂的高阶导数十分实用。

二、乘积的高阶导数

若 y=u(x)v(x)y=u(x)v(x),则莱布尼茨公式为

(uv)(n)=∑k=0n(nk)u(k)v(n−k)\boxed{ (uv)^{(n)} =\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k} u^{(k)}v^{(n-k)} }

重点: 高阶求导题中,莱布尼茨公式以及指数函数、三角函数的高阶导数最为常用。

三、考前速记

函数 nn 阶导数
xmx^m m!(m−n)!xm−n\frac{m!}{(m-n)!}x^{m-n},其中 n≤mn\le m
eax+be^{ax+b} aneax+ba^n e^{ax+b}
axa^x (ln⁡a)nax(\ln a)^n a^x
sin⁡(ax+b)\sin(ax+b) ansin⁡(ax+b+nπ2)a^n\sin\left(ax+b+\frac{n\pi}{2}\right)
cos⁡(ax+b)\cos(ax+b) ancos⁡(ax+b+nπ2)a^n\cos\left(ax+b+\frac{n\pi}{2}\right)
ln⁡x\ln x (−1)n−1(n−1)!xn(-1)^{n-1}\frac{(n-1)!}{x^n}
1ax+b\frac{1}{ax+b} (−1)nn!an(ax+b)n+1(-1)^n n!\frac{a^n}{(ax+b)^{n+1}}
u(x)v(x)u(x)v(x) ∑k=0n(nk)u(k)v(n−k)\sum_{k=0}^{n}\binom{n}{k}u^{(k)}v^{(n-k)}