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Resumen

Summary Rules and Techniques for Differentiation

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Páginas
46
Subido en
24-01-2021
Escrito en
2020/2021

These notes explain in an easily understandable manner, every single rule and technique in order to master the process of differentiating mathematical functions. To a certain extent, Precalculus isn't even needed to comprehend these notes, as every single method is fully explained, and no-nonsense is included, alongside with solved exercises showing the process for each individual method of differentiation, as well as the individual proof for each one. If you want to excel at Calculus I, this is absolutely what you are looking for.

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24 de enero de 2021
Número de páginas
46
Escrito en
2020/2021
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Resumen

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Rules and Techniques for Differentiation
Anibal Garcia
August 7 2020



Contents

I Differentiation 4
1 Simple Rules of Differentiation 4

2 The Power Rule 5
2.1 The Power Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Proof of The Power Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 Solved Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3 Linearity of the Derivative 7

4 The Sum Rule 8
4.1 The Sum Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4.2 Proof of the Sum Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

5 The Product Rule 9
5.1 The Product Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
5.2 Proof of the Product Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
5.3 Solved Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

6 The Quotient Rule 12
6.1 The Quotient Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
6.2 Proof of the Quotient Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
6.3 Solved Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

7 The Chain Rule 14
7.1 The Chain Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
7.2 Proof of the Chain Rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
7.3 Solved Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

8 Derivatives of Exponential Functions 21
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
8.1.1 Proof . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
8.2 A function with its own derivative, f (x) = ex . . . . . . . . . . . . . . . . 22
8.3 The derivative of ef (x) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1

, 8.3.1 Proof . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
8.3.2 Solved Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
8.4 The derivative of ax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
8.4.1 Proof . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
8.5 The derivative of af (x) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
8.5.1 Proof . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
8.5.2 Solved Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

9 Derivatives of Logarithmic Functions 29
9.1 The derivative of ln x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
9.2 The derivative of ln f (x) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
9.2.1 Proof . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
9.2.2 Solved Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
9.3 The Derivative of loga x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
9.3.1 Proof . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
9.4 The Derivative of loga f (x) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
9.4.1 Proof . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
9.4.2 Solved Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

10 Derivatives of Trigonometric Functions 35
10.1 The Derivative of sin x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
10.2 The Derivative of cos x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
10.3 The Derivative of tan x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
10.3.1 Proof . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
10.4 The Derivative of sin[f (x)] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
10.4.1 Proof . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
10.5 The Derivative of cos[f (x)] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
10.6 The Derivative of tan[f (x)] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
10.7 Solved Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
10.8 The Derivative of csc x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
10.8.1 Proof . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
10.9 The Derivative of sec x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
10.9.1 Proof . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
10.10The Derivative of cot x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
10.10.1 Proof . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
10.11Derivative of csc[f (x)] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
10.12Derivative of sec[f (x)] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
10.13Derivative of cot[f (x)] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

11 Derivatives of Inverse Trigonometric Functions 42
11.1 Derivative of arcsin x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
11.1.1 Proof . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
11.2 Derivative of arccos x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
11.3 Derivative of arctan x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
11.4 Derivative of arcsin[f (x)] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
11.4.1 Proof . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
11.5 Derivative of arccos[f (x)] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
11.6 Derivative of arctan[f (x)] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44


2

,12 Second and Higher Derivatives 46




3

,Part I
Differentiation
1 Simple Rules of Differentiation

Differentiation is the process of finding a derivative or gradient function.
Given a function f (x) we obtain f 0 (x) by differentiating with respect to the variable x.

There are a number of rules associated with differentiation. These rules can be used to
differentiate more complicated functions without having to use first principles.

We can summarize the following rules:

f (x) f 0 (x) Name of Rule
c (a constant) 0 Differentiating a Constant
xn nxn−1 Differentianting xn / Power Rule
cu(x) cu0 (x) Constant times a function
u(x) + v(x) u0 (x) + v 0 (x) Addition Rule


The last two rules can be proved with the first principles of differentiation:




4

,2 The Power Rule
2.1 The Power Rule
We start with the derivative of a power function, f (x) = xn . Here n is a number of
any kind: integer, rational, positive, negative, even irrational, as in xπ . The formula to
differentiate xn :
d n
x = nxn−1
dx



2.2 Proof of The Power Rule
We can prove this with the definition of the derivative and the binomial expansion.
Find the derivative of f (x) = xn :

First, we know the definition of the derivative is:
f (x + h) − f (x)
lim
h→0 h
We apply this to xn :
(x + h)n − xn
lim
h→0 h
We know that the binomial expansion for (x + h)n is:
n  
n
X n n−r r
(x + h) = x h
r=0
r
n          
X n n−r r n n n n−1 n n−2 2 n n
x h = x + x h+ x h + ... + h
r=0
r 0 1 2 n
We introduce this expansion into the limit:
n
x + n1 xn−1 h + n2 xn−2 h2 + ... + n
 n    n
0 n
h − xn
lim
h→0 h
We cancel out terms:
n  n n n
n
  n−1  n−2 2  n 
n
−x
lim 0x + 1
x h+ 2
x h + ... + n
h
h→0 h
n n n
  
1
xn−1 h + 2
xn−2 h2 + ... + n
hn
lim
h→0 h
We then cancel h:
h hn−1
n n n
 n−1
 2
n−2 
 >
n
1
x h+
 2
x h + ... + n
h

lim
h→0 h

     
n n−1 n n−2 n n−1
lim x + x h + ... + h
h→0 1 2 n

5

, We could then factorize:
      !
n n−1 n n−2 n n−1
lim x +h x + ... + 1
h→0 1 2 n

We can then evaluate the limit:

     :!0
   
n n−1 n n−2  n n−1
 n n−1
lim x +h x +
... + 1 = x
h→0 1 2  n 1
 


∴ f 0 (x) = nxn−1

2.3 Solved Exercises
1. Find the derivatives of the given functions.

(a) x100 (d) xπ
3
(b) x−100 (e) x 4
1 √
(c) x5
(f) 3 x

(a)
d 100
x = 100x99
dx
(b)
d −100
x = −100x−101
dx
(c)
d 1 d −5
≡ x = −5x−6
dx x5 dx
(d)
d π
x = πxπ−1
dx
(e)
d 3 3 3 3 5
x 4 = x( 4 −1) = x− 4
dx 4 4
(f)
d √ d 1 3 1
3 x≡ 3x 2 = x− 2
dx dx 2




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