EssayAI
Блог
Блог
Математика и алгоритмы

Производная произведения и частного: формулы

17 июня 2026Время чтения: 6 минут
#производная произведения#правило Лейбница#производная частного#математический анализ#дифференцирование

Производная произведения двух функций - одна из базовых формул дифференциального исчисления. Её вывел Готфрид Лейбниц в XVII веке, и с тех пор она носит его имя. Если знаете только правило степеней и основные производные, но не знаете правило Лейбница, вычислить (x2sinx)(x^2 \sin x)' практически невозможно без подстановки. Ниже - вывод обеих формул, геометрический смысл через площадь прямоугольника и интерактивный калькулятор, где можно проверить любую точку.

Правило Лейбница: формула производной произведения

Пусть u(x)u(x) и v(x)v(x) - дифференцируемые функции. Тогда их произведение также дифференцируемо, и

(uv)=uv+uv.(u \cdot v)' = u' \cdot v + u \cdot v'.

Словами: производная произведения равна сумме двух слагаемых - «производная первого умножить на второй» плюс «первый умножить на производную второго». Порядок важен: оба слагаемых нужны, нельзя написать просто uvu'v'.

Касательная к u(x)·v(x): два вклада u'v и uv' при изменении точки x

Вывод через приращения

Возьмём приращение Δx\Delta x и запишем Δ(uv)=(u+Δu)(v+Δv)uv\Delta(uv) = (u + \Delta u)(v + \Delta v) - uv:

Δ(uv)=uΔv+vΔu+ΔuΔv.\Delta(uv) = u \cdot \Delta v + v \cdot \Delta u + \Delta u \cdot \Delta v.

Делим на Δx\Delta x и устремляем Δx0\Delta x \to 0. Произведение ΔuΔv/Δx0\Delta u \cdot \Delta v / \Delta x \to 0, потому что Δu0\Delta u \to 0 при непрерывности uu. Остаётся

(uv)=limΔx0Δ(uv)Δx=uv+uv.(uv)' = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{\Delta(uv)}{\Delta x} = u' v + u v'.

Именно это видно в Manim-анимации на обложке: прямоугольник u×vu \times v увеличивается - появляются золотая полоска δuv\delta u \cdot v (вклад uvu'v) и сиреневая uδvu \cdot \delta v (вклад uvuv'). Уголок δuδv\delta u \cdot \delta v - второй порядок малости, он исчезает при Δx0\Delta x \to 0.

Формула производной частного

(uv)=uvuvv2,v0.\left(\frac{u}{v}\right)' = \frac{u' v - u v'}{v^2}, \quad v \neq 0.

Знак минус в числителе - принципиальное отличие от произведения. Его легко запомнить мнемонически: «числитель убывает» - деление «тормозит» рост функции, поэтому вклад vv' входит со знаком минус.

Производная в точке: скобки Brace измеряют вклады u'v и uv' в наклон касательной
Производная в точке: скобки Brace измеряют вклады u'v и uv' в наклон касательной

Вывод формулы частного

Запишем u/v=uv1u/v = u \cdot v^{-1} и применим правило произведения совместно с цепным правилом (v1)=v/v2(v^{-1})' = -v'/v^2:

(uv)=uv1+u(vv2)=uvuvv2=uvuvv2.\left(\frac{u}{v}\right)' = u' \cdot v^{-1} + u \cdot \left(-\frac{v'}{v^2}\right) = \frac{u'}{v} - \frac{uv'}{v^2} = \frac{u'v - uv'}{v^2}.

Это более строгий вывод, чем работа с приращениями частного, и он показывает, откуда берётся v2v^2 в знаменателе - из дифференцирования v1v^{-1}.

Примеры вычислений

Пример 1. Найти (x2sinx)(x^2 \sin x)'.

Здесь u=x2u = x^2, v=sinxv = \sin x, u=2xu' = 2x, v=cosxv' = \cos x:

(x2sinx)=2xsinx+x2cosx.(x^2 \sin x)' = 2x \sin x + x^2 \cos x.

Пример 2. Найти (tanx)=(sinx/cosx)(\tan x)' = (\sin x / \cos x)'.

(tanx)=(sinx)cosxsinx(cosx)cos2x=cos2x+sin2xcos2x=1cos2x.(\tan x)' = \frac{(\sin x)' \cos x - \sin x \cdot (\cos x)'}{\cos^2 x} = \frac{\cos^2 x + \sin^2 x}{\cos^2 x} = \frac{1}{\cos^2 x}.

Пример 3. Найти производную f(x)=exlnxf(x) = e^x \ln x.

f(x)=exlnx+ex1x=ex(lnx+1x).f'(x) = e^x \ln x + e^x \cdot \frac{1}{x} = e^x \left(\ln x + \frac{1}{x}\right).

Геометрический смысл: прямоугольник

Правило Лейбница красиво объясняется геометрически. Рассмотрим прямоугольник со сторонами u(x)u(x) и v(x)v(x). Его площадь S=uvS = u \cdot v. При увеличении xx на Δx\Delta x стороны вырастают на Δu\Delta u и Δv\Delta v, а площадь прирастает на

ΔSΔuv+uΔv\Delta S \approx \Delta u \cdot v + u \cdot \Delta v

(угловой прямоугольник ΔuΔv\Delta u \cdot \Delta v мал второго порядка). Разделив на Δx\Delta x и взяв предел, получаем правило Лейбница. Именно это показывает анимированная обложка статьи.

Производная трёх и более множителей

Правило Лейбница обобщается на произвольное число множителей по индукции. Для трёх функций:

(uvw)=uvw+uvw+uvw.(u \cdot v \cdot w)' = u'vw + uv'w + uvw'.

Каждый раз дифференцируем один множитель, остальные оставляем как есть, и складываем все варианты. Это аналог формулы nn слагаемых.

Связь с логарифмическим дифференцированием

Если f(x)=u1u2unf(x) = u_1 u_2 \cdots u_n, то можно взять lnf=lnui\ln f = \sum \ln u_i, продифференцировать:

ff=uiui,\frac{f'}{f} = \sum \frac{u_i'}{u_i},

и умножить на ff. Этот приём удобен, когда в произведении много множителей или они сложнее обычных степеней.

Частые ошибки

  • Перепутать знаки в формуле частного. Пишут (uv+uv)/v2(u'v + uv') / v^2 вместо (uvuv)/v2(u'v - uv') / v^2. Запомни: знак минус, потому что знаменатель «тормозит».
  • Дифференцировать числитель и знаменатель отдельно. Это НЕ правило частного! (u/v)u/v(u/v)' \neq u'/v' - самая грубая ошибка.
  • Забыть второе слагаемое в произведении. (uv)uv(uv)' \neq u'v; нужны оба вклада uvu'v и uvuv'.
  • Не упрощать результат. После подстановки нередко получается выражение, которое сворачивается в стандартную форму (как tan=1/cos2x\tan' = 1/\cos^2 x).
  • Перепутать порядок вычитания. В формуле частного именно uvuvu'v - uv', а не uvuvuv' - u'v.

FAQ

Почему в формуле произведения два слагаемых, а не одно?

Потому что меняются обе функции. Даже если uu постоянна (u=0u' = 0), произведение всё равно меняется вместе с vv - вклад uvuv'. Только если обе постоянны, производная нулевая.

Можно ли применить правило произведения к частному?

Да: u/v=uv1u/v = u \cdot v^{-1}. Дифференцируем как произведение: (uv1)=uv1+u(v1)(u \cdot v^{-1})' = u' v^{-1} + u \cdot (v^{-1})'. Далее цепное правило (v1)=v/v2(v^{-1})' = -v'/v^2 даёт формулу частного.

Как правило Лейбница связано с интегрированием по частям?

Это две стороны одной монеты. Из (uv)=uv+uv(uv)' = u'v + uv' следует uv=(uv)uvuv' = (uv)' - u'v, и интегрирование по xx даёт uvdx=uvuvdx\int uv' \, dx = uv - \int u'v \, dx - классическую формулу интегрирования по частям.

Коротко

Правило Лейбница (uv)=uv+uv(uv)' = u'v + uv' - следствие того, что приращение площади прямоугольника складывается из двух полосок и малого угла второго порядка, который исчезает. Производная частного (u/v)=(uvuv)/v2(u/v)' = (u'v - uv') / v^2 выводится из правила произведения с цепным правилом для v1v^{-1}. Знак минус и v2v^2 в знаменателе - ключевые отличия от произведения, которые легко проверить примером (tanx)=1/cos2x(\tan x)' = 1/\cos^2 x.

Доверьте текст нейросети EssayAI

Открыть EssayAI

Бесплатно, на русском языке и без VPN

Читайте также