При дифференцировании показательно степенной функции или громоздких дробных выражений удобно пользоваться логарифмической производной. В этой статье мы рассмотрим примеры ее применения с подробными решениями.
Дальнейшее изложение подразумевает умение пользоваться таблицей производных , правилами дифференцирования и знание формулы производной сложной функции .
Вывод формулы логарифмической производной.
Сначала производим логарифмирование по основанию e
, упрощаем вид функции, используя свойства логарифма, и далее находим производную неявно заданной функции:
Для примера найдем производную показательно степенной функции x в степени x .
Логарифмирование дает . По свойствам логарифма . Дифференцирование обеих частей равенства приводит к результату:
Ответ:
.
Этот же пример можно решить и без использования логарифмической производной. Можно провести некоторые преобразования и перейти от дифференцирования показательно степенной функции к нахождению производной сложной функции:
Пример.
Найти производную функции 
.
Решение.
В этом примере функция 
представляет собой дробь и ее производную можно искать с использованием правил дифференцирования. Но в силу громоздкости выражения это потребует множества преобразований. В таких случаях разумнее использовать формулу логарифмической производной 
. Почему? Вы сейчас поймете.
Найдем сначала . В преобразованиях будем использовать свойства логарифма (логарифм дроби равен разности логарифмов, а логарифм произведения равен сумме логарифмов, и еще степень у выражения под знаком логарифма можно вынести как коэффициент перед логарифмом):
Эти преобразования привели нас к достаточно простому выражению, производная которого легко находится:
Подставляем полученный результат в формулу логарифмической производной и получаем ответ:
Для закрепления материала приведем еще пару примеров без подробных объяснений.
Пример.
Найдите производную показательно степенной функции 
Пусть
(1)
есть дифференцируемая функция от переменной x
.
В начале мы рассмотрим ее на множестве значений x
,
для которых y
принимает положительные значения: .
В дальнейшем мы покажем, что все полученные результаты применимы и для отрицательных значений .
В некоторых случаях, чтобы найти производную функции (1), ее удобно предварительно прологарифмировать
,
а затем вычислить производную. Тогда по правилу дифференцирования сложной функции ,
.
Отсюда
(2)
.
Производная от логарифма функции называется логарифмической производной:
.
Логарифмическая производная функции y = f(x) - это производная натурального логарифма этой функции: (ln f(x))′ .
Случай отрицательных значений y
Теперь рассмотрим случай, когда переменная может принимать как положительные, так и отрицательные значения. В этом случае возьмем логарифм от модуля и найдем его производную:
.
Отсюда
(3)
.
То есть, в общем случае, нужно найти производную от логарифма модуля функции .
Сравнивая (2) и (3) мы имеем:
.
То есть формальный результат вычисления логарифмической производной не зависит от того, взяли мы по модулю или нет. Поэтому, при вычислении логарифмической производной, мы можем не беспокоится о том, какой знак имеет функция .
Прояснить такую ситуацию можно с помощью комплексных чисел. Пусть, при некоторых значениях x
,
отрицательна: .
Если мы рассматриваем только действительные числа, то функция не определена. Однако, если ввести в рассмотрение комплексные числа, то получим следующее:
.
То есть функции и отличаются на комплексную постоянную :
.
Поскольку производная от постоянной равна нулю, то
.
Свойство логарифмической производной
Из подобного рассмотрения следует, что логарифмическая производная не изменится, если умножить функцию на произвольную постоянную
:
.
Действительно, применяя свойства логарифма
, формулы производной суммы
и производной постоянной
, имеем:
.
Применение логарифмической производной
Применять логарифмическую производную удобно в тех случаях, когда исходная функция состоит из произведения степенных или показательных функций. В этом случае операция логарифмирования превращает произведение функций в их сумму. Это упрощает вычисление производной.
Пример 1
Найти производную функции:
.
Решение
Логарифмируем исходную функцию:
.
Дифференцируем по переменной x
.
В таблице производных находим:
.
Применяем правило дифференцирования сложной функции .
;
;
;
;
(П1.1)
.
Умножим на :
.
Итак, мы нашли логарифмическую производную:
.
Отсюда находим производную исходной функции:
.
Примечание
Если мы хотим использовать только действительные числа, то следует брать логарифм от модуля исходной функции:
.
Тогда
;
.
И мы получили формулу (П1.1). Поэтому результат не изменился.
Ответ
Пример 2
С помощью логарифмической производной, найдите производную функции
.
Решение
Логарифмируем:
(П2.1)
.
Дифференцируем по переменной x
:
;
;
;
;
;
.
Умножим на :
.
Отсюда мы получаем логарифмическую производную:
.
Производная исходной функции:
.
Примечание
Здесь исходная функция неотрицательная: .
Она определена при .
Если не предполагать, что логарифм может быть определен для отрицательных значений аргумента, то формулу (П2.1) следует записать так:
.
Поскольку
и
,
то это не повлияет на окончательный результат.
Ответ
Пример 3
Найдите производную
.
Решение
Дифференцирование выполняем с помощью логарифмической производной. Логарифмируем, учитывая что :
(П3.1)
.
Дифференцируя, получаем логарифмическую производную.
;
;
;
(П3.2)
.
Поскольку ,
то
.
Примечание
Проделаем вычисления без предположения, что логарифм может быть определен для отрицательных значений аргумента. Для этого возьмем логарифм от модуля исходной функции:
.
Тогда вместо (П3.1) имеем:
;
.
Сравнивая с (П3.2) мы видим, что результат не изменился.
Соблюдение Вашей конфиденциальности важно для нас. По этой причине, мы разработали Политику Конфиденциальности, которая описывает, как мы используем и храним Вашу информацию. Пожалуйста, ознакомьтесь с нашими правилами соблюдения конфиденциальности и сообщите нам, если у вас возникнут какие-либо вопросы.
Сбор и использование персональной информации
Под персональной информацией понимаются данные, которые могут быть использованы для идентификации определенного лица либо связи с ним.
От вас может быть запрошено предоставление вашей персональной информации в любой момент, когда вы связываетесь с нами.
Ниже приведены некоторые примеры типов персональной информации, которую мы можем собирать, и как мы можем использовать такую информацию.
Какую персональную информацию мы собираем:
- Когда вы оставляете заявку на сайте, мы можем собирать различную информацию, включая ваши имя, номер телефона, адрес электронной почты и т.д.
Как мы используем вашу персональную информацию:
- Собираемая нами персональная информация позволяет нам связываться с вами и сообщать об уникальных предложениях, акциях и других мероприятиях и ближайших событиях.
- Время от времени, мы можем использовать вашу персональную информацию для отправки важных уведомлений и сообщений.
- Мы также можем использовать персональную информацию для внутренних целей, таких как проведения аудита, анализа данных и различных исследований в целях улучшения услуг предоставляемых нами и предоставления Вам рекомендаций относительно наших услуг.
- Если вы принимаете участие в розыгрыше призов, конкурсе или сходном стимулирующем мероприятии, мы можем использовать предоставляемую вами информацию для управления такими программами.
Раскрытие информации третьим лицам
Мы не раскрываем полученную от Вас информацию третьим лицам.
Исключения:
- В случае если необходимо - в соответствии с законом, судебным порядком, в судебном разбирательстве, и/или на основании публичных запросов или запросов от государственных органов на территории РФ - раскрыть вашу персональную информацию. Мы также можем раскрывать информацию о вас если мы определим, что такое раскрытие необходимо или уместно в целях безопасности, поддержания правопорядка, или иных общественно важных случаях.
- В случае реорганизации, слияния или продажи мы можем передать собираемую нами персональную информацию соответствующему третьему лицу – правопреемнику.
Защита персональной информации
Мы предпринимаем меры предосторожности - включая административные, технические и физические - для защиты вашей персональной информации от утраты, кражи, и недобросовестного использования, а также от несанкционированного доступа, раскрытия, изменения и уничтожения.
Соблюдение вашей конфиденциальности на уровне компании
Для того чтобы убедиться, что ваша персональная информация находится в безопасности, мы доводим нормы соблюдения конфиденциальности и безопасности до наших сотрудников, и строго следим за исполнением мер соблюдения конфиденциальности.
