关于积分限求导的问题,主要分为以下几种情况:
一、积分上限或下限为常数
若积分限为常数(如 $int_{a}^{c} f(t) , dt$),则导数为零:
$$left( int_{a}^{c} f(t) , dt right)' = 0$$
二、积分上限为自变量
若积分上限为自变量 $x$(如 $F(x) = int_{a}^{x} f(t) , dt$),则导数为被积函数在 $x$ 处的值:
$$F'(x) = f(x)$$
这是积分上限函数的基本求导法则。
三、积分下限为自变量
若积分下限为自变量 $x$(如 $F(x) = int_{x}^{a} f(t) , dt$),则导数为负的被积函数在 $x$ 处的值:
$$F'(x) = -f(x)$$
四、积分上下限均为自变量
若积分上下限均为自变量(如 $F(x) = int_{phi(x)}^{psi(x)} f(t) , dt$),则导数公式为:
$$F'(x) = f(psi(x)) cdot psi'(x) - f(phi(x)) cdot phi'(x)$$
这是通过莱布尼茨积分规则推导得出的。
示例
假设 $F(x) = int_{x^2}^{sin x} t , dt$,求导过程如下:
识别积分上下限函数:$phi(x) = x^2$,$psi(x) = sin x$。
计算导数:$phi'(x) = 2x$,$psi'(x) = cos x$。
应用公式:
$$F'(x) = f(sin x) cdot cos x - f(x^2) cdot 2x$$
其中 $f(t) = t$,所以:
$$F'(x) = sin x cdot cos x - x^2 cdot 2x = sin x cos x - 2x^3$$
五、被积函数含自变量
若被积函数 $f(t, x)$ 含自变量 $x$(如 $y = int_{a(x)}^{b(x)} f(t, x) , dt$),则需使用莱布尼茨积分规则:
$$frac{dy}{dx} = f(b(x), x) cdot b'(x) - f(a(x), x) cdot a'(x) + int_{a(x)}^{b(x)} frac{partial f(t, x)}{partial x} , dt$$
需注意:
计算被积函数在上下限处的值乘以上限/下限函数的导数;
计算被积函数对 $x$ 的偏导数,并对积分区间积分。
示例
假设 $y = int_{x}^{e^x} t ln t , dt$,求导过程如下:
识别积分上下限函数:$phi(x) = x$,$psi(x) = e^x$。
计算导数:$phi'(x) = 1$,$psi'(x) = e^x$。
应用莱布尼茨规则:
$$frac{dy}{dx} = e^x ln(e^x) cdot e^x - x ln x cdot 1 + int{x}^{e^x} frac{partial (t ln t)}{partial x} , dt$$ $$= e^x cdot x cdot e^x - x ln x + int
$$= x e^{2x} - x ln x + left[ t ln t - t right]_{x}^{e^x}$$
$$= x e^{2x} - x ln x + left( e^x ln e^x - e^x - x ln x + x right)$$
$$= x e^{2x} - x ln x + e^x (x - 1) - x ln x + x$$
$$= x e^{2x} - 2
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