Bài học Toán THPT - Các Quy Tắc Tính Đạo Hàm (Đầy Đủ)

📘 BÀI HỌC TOÁN 11: CÁC QUY TẮC TÍNH ĐẠO HÀM

Sách giáo khoa Toán 11 - Kết nối tri thức với cuộc sống (Đầy đủ)

📋 Bảng Đạo Hàm Các Hàm Số Sơ Cấp Thường Gặp (SGK KNTT)

Dưới đây là bảng tổng hợp đầy đủ các công thức đạo hàm cơ bản và đạo hàm của hàm hợp \(u = u(x)\):

Đạo hàm của hàm số sơ cấp Đạo hàm của hàm hợp \(u = u(x)\)
1. Hàm đa thức, Lũy thừa, Căn thức
\((c)' = 0\) (với \(c\) là hằng số) —
\((x)' = 1\) —
\((x^n)' = n \cdot x^{n-1} \quad (n \in \mathbb{R})\) \((u^n)' = n \cdot u^{n-1} \cdot u'\)
\((\sqrt{x})' = \displaystyle\frac{1}{2\sqrt{x}} \quad (x > 0)\) \((\sqrt{u})' = \displaystyle\frac{u'}{2\sqrt{u}} \quad (u > 0)\)
\(\left(\displaystyle\frac{1}{x}\right)' = -\displaystyle\frac{1}{x^2} \quad (x \neq 0)\) \(\left(\displaystyle\frac{1}{u}\right)' = -\displaystyle\frac{u'}{u^2} \quad (u \neq 0)\)
2. Hàm số lượng giác
\((\sin x)' = \cos x\) \((\sin u)' = u' \cdot \cos u\)
\((\cos x)' = -\sin x\) \((\cos u)' = -u' \cdot \sin u\)
\((\tan x)' = \displaystyle\frac{1}{\cos^2 x} = 1 + \tan^2 x\) \((\tan u)' = \displaystyle\frac{u'}{\cos^2 u} = u'(1 + \tan^2 u)\)
\((\cot x)' = -\displaystyle\frac{1}{\sin^2 x} = -(1 + \cot^2 x)\) \((\cot u)' = -\displaystyle\frac{u'}{\sin^2 u} = -u'(1 + \cot^2 u)\)
3. Hàm số Mũ và Lôgarit
\((e^x)' = e^x\) \((e^u)' = u' \cdot e^u\)
\((a^x)' = a^x \ln a \quad (0 < a \neq 1)\) \((a^u)' = u' \cdot a^u \ln a \quad (0 < a \neq 1)\)
\((\ln |x|)' = \displaystyle\frac{1}{x} \quad (x \neq 0)\) \((\ln |u|)' = \displaystyle\frac{u'}{u} \quad (u \neq 0)\)
\((\log_a |x|)' = \displaystyle\frac{1}{x \ln a} \quad (0 < a \neq 1, x \neq 0)\) \((\log_a |u|)' = \displaystyle\frac{u'}{u \ln a} \quad (0 < a \neq 1, u \neq 0)\)

1. Đạo hàm của Hàm đa thức, Lũy thừa và Căn thức

📌 Các công thức cơ bản:
  • \((c)' = 0\) (với \(c\) là hằng số)
  • \((x)' = 1\)
  • \((x^n)' = n \cdot x^{n-1}\) (với \(n \in \mathbb{R}\))
  • \((\sqrt{x})' = \displaystyle\frac{1}{2\sqrt{x}}\) (với \(x > 0\))
💡 Chú ý: Công thức \((x^n)' = n \cdot x^{n-1}\) áp dụng cho mọi số thực \(n\) (nguyên dương, nguyên âm, phân số) miễn là biểu thức có nghĩa.

2. Đạo hàm của các Hàm số Lượng giác

📌 Công thức đạo hàm các hàm lượng giác cơ bản:
  • \((\sin x)' = \cos x\)
  • \((\cos x)' = -\sin x\)
  • \((\tan x)' = \displaystyle\frac{1}{\cos^2 x} = 1 + \tan^2 x \quad \left(x \neq \displaystyle\frac{\pi}{2} + k\pi\right)\)
  • \((\cot x)' = -\displaystyle\frac{1}{\sin^2 x} = -(1 + \cot^2 x) \quad (x \neq k\pi)\)

3. Đạo hàm của Hàm số Mũ và Lôgarit

📌 Đạo hàm hàm số Lôgarit:
  • \((\ln x)' = \displaystyle\frac{1}{x} \quad (x > 0)\)
  • \((\log_a x)' = \displaystyle\frac{1}{x \ln a} \quad (x > 0, 0 < a \neq 1)\)
📌 Đạo hàm hàm số Mũ:
  • \((e^x)' = e^x\)
  • \((a^x)' = a^x \ln a \quad (0 < a \neq 1)\)

4. Đạo hàm của Tổng, Hiệu, Tích, Thương

Cho \(u = u(x)\) và \(v = v(x)\) là các hàm số có đạo hàm tại điểm \(x\).

a) Đạo hàm của Tổng và Hiệu

\[ (u + v)' = u' + v' \] \[ (u - v)' = u' - v' \]

b) Đạo hàm của Tích

\[ (u \cdot v)' = u'v + uv' \]

Hệ quả:

\[ (k \cdot u)' = k \cdot u' \quad (k \text{ là hằng số}) \]

c) Đạo hàm của Thương

\[ \left(\displaystyle\frac{u}{v}\right)' = \displaystyle\frac{u'v - uv'}{v^2} \quad (v = v(x) \neq 0) \]

Hệ quả:

\[ \left(\displaystyle\frac{1}{v}\right)' = -\displaystyle\frac{v'}{v^2} \quad (v = v(x) \neq 0) \]

5. Đạo hàm của Hàm hợp

Nếu hàm số \(u = g(x)\) có đạo hàm tại \(x\) là \(u'_x\) và hàm số \(y = f(u)\) có đạo hàm tại \(u\) là \(y'_u\) thì hàm hợp \(y = f(g(x))\) có đạo hàm tại \(x\) là:

\[ y'_x = y'_u \cdot u'_x \]

Các dạng đạo hàm hàm hợp \(u = u(x)\) thường gặp:

  • \((u^n)' = n \cdot u^{n-1} \cdot u'\)
  • \((\sqrt{u})' = \displaystyle\frac{u'}{2\sqrt{u}}\)
  • \((\sin u)' = u' \cdot \cos u\)
  • \((\cos u)' = -u' \cdot \sin u\)
  • \((e^u)' = u' \cdot e^u\)
  • \((\ln u)' = \displaystyle\frac{u'}{u}\)

6. Ví dụ minh họa

Ví dụ 1 Áp dụng Đạo hàm đa thức & phân thức

Tính đạo hàm của hàm số \(y = \displaystyle\frac{2x + 1}{x - 1}\)

Lời giải:

Áp dụng quy tắc đạo hàm thương \(\left(\displaystyle\frac{u}{v}\right)' = \displaystyle\frac{u'v - uv'}{v^2}\):

\[ y' = \displaystyle\frac{(2x + 1)'(x - 1) - (2x + 1)(x - 1)'}{(x - 1)^2} \] \[ y' = \displaystyle\frac{2(x - 1) - (2x + 1) \cdot 1}{(x - 1)^2} = \displaystyle\frac{-3}{(x - 1)^2} \]
Ví dụ 2 Áp dụng Đạo hàm Lượng giác

Tính đạo hàm của các hàm số:

a) \(y = \sin(3x - \displaystyle\frac{\pi}{4})\)

b) \(y = x^2 \cdot \cos x\)

Lời giải:

a) Áp dụng công thức \((\sin u)' = u' \cdot \cos u\) với \(u = 3x - \displaystyle\frac{\pi}{4}\):

\[ y' = (3x - \displaystyle\frac{\pi}{4})' \cdot \cos(3x - \displaystyle\frac{\pi}{4}) = 3\cos(3x - \displaystyle\frac{\pi}{4}) \]

b) Áp dụng quy tắc đạo hàm của tích \((uv)' = u'v + uv'\):

\[ y' = (x^2)' \cdot \cos x + x^2 \cdot (\cos x)' = 2x\cos x - x^2\sin x \]
Ví dụ 3 Áp dụng Đạo hàm Mũ & Lôgarit

Tính đạo hàm của các hàm số:

a) \(y = e^{x^2 + 2x}\)

b) \(y = \ln(x^2 + 1)\)

Lời giải:

a) Áp dụng công thức \((e^u)' = u' \cdot e^u\) với \(u = x^2 + 2x\):

\[ y' = (x^2 + 2x)' \cdot e^{x^2 + 2x} = (2x + 2)e^{x^2 + 2x} \]

b) Áp dụng công thức \((\ln u)' = \displaystyle\frac{u'}{u}\) với \(u = x^2 + 1\):

\[ y' = \displaystyle\frac{(x^2 + 1)'}{x^2 + 1} = \displaystyle\frac{2x}{x^2 + 1} \]

7. Luyện tập tự giải

Bài 1: (Hàm đa thức & Phân thức) Tính đạo hàm các hàm số sau:

a) \(y = \displaystyle\frac{1}{3}x^3 - 2x^2 + 5x - 1\)

b) \(y = \displaystyle\frac{3x - 2}{1 - 2x}\)

Bài 2: (Hàm Lượng giác) Tính đạo hàm các hàm số sau:

a) \(y = \cos(2x + 1)\)

b) \(y = \tan^2(x)\)

Bài 3: (Hàm Mũ & Logarit) Tính đạo hàm các hàm số sau:

a) \(y = 2^{3x - 1}\)

b) \(y = \log_3(x^2 + 2x)\)

8. Ghi nhớ & Mẹo giải nhanh

🎯 Mẹo nhớ dấu đạo hàm Lượng giác:
  • Đạo hàm các hàm có chữ "c" ban đầu (như cos, cot) luôn có dấu **trừ** (\(-\)) đằng trước.
  • \((\cos x)' = -\sin x\)
  • \((\cot x)' = -\displaystyle\frac{1}{\sin^2 x}\)
💡 Mẹo tính nhanh trắc nghiệm phân thức:
  • Hàm bậc nhất / bậc nhất: \[ y = \displaystyle\frac{ax + b}{cx + d} \implies y' = \displaystyle\frac{ad - bc}{(cx + d)^2} \]
  • Hàm bậc hai / bậc nhất: \[ y = \displaystyle\frac{ax^2 + bx + c}{px + q} \implies y' = \displaystyle\frac{ap x^2 + 2aq x + (bq - cp)}{(px + q)^2} \]