导数刻画函数在一点附近的瞬时变化率,微分则给出函数增量的线性主部。


1. 导数

1.1 定义

定义(导数)
设函数 ffx0x_0 的某个邻域内有定义。若有限极限

limxx0f(x)f(x0)xx0\lim_{x\to x_0} \frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}

存在,则称 ffx0x_0 可导,该极限称为 ffx0x_0 的导数,记作

f(x0),dfdxx=x0.f'(x_0),\qquad \left.\frac{df}{dx}\right|_{x=x_0}.

Δx=xx0\Delta x=x-x_0,导数也可写为

f(x0)=limΔx0f(x0+Δx)f(x0)Δx.f'(x_0) =\lim_{\Delta x\to0} \frac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x}.

1.2 几何与物理意义

若曲线 y=f(x)y=f(x)x0x_0 处可导,则切线斜率为 f(x0)f'(x_0),切线方程为

yf(x0)=f(x0)(xx0).y-f(x_0)=f'(x_0)(x-x_0).

s=s(t)s=s(t) 表示位移,则 s(t)s'(t) 表示瞬时速度,s(t)s''(t) 表示瞬时加速度。


2. 单侧导数

定义
右导数和左导数分别为

f+(x0)=limxx0+f(x)f(x0)xx0,f'_+(x_0) =\lim_{x\to x_0^+} \frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}, f(x0)=limxx0f(x)f(x0)xx0.f'_-(x_0) =\lim_{x\to x_0^-} \frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}.

定理

f(x0)存在f(x0)=f+(x0)f'(x_0)\text{存在} \quad\Longleftrightarrow\quad f'_-(x_0)=f'_+(x_0)

且二者都是有限值。

在闭区间端点处通常只讨论相应的单侧导数。

例如 f(x)=xf(x)=|x|00 处有

f(0)=1,f+(0)=1,f'_-(0)=-1,\qquad f'_+(0)=1,

所以不可导。


3. 可导与连续

定理
ffx0x_0 可导,则 ffx0x_0 连续。

逆命题不成立。连续函数可能由于尖点、角点、垂直切线或剧烈振荡而不可导。

典型反例包括:

f(x)=x,f(x)=|x|,

以及

f(x)={xsin(1/x),x0,0,x=0.f(x)= \begin{cases} x\sin(1/x),&x\ne0,\\ 0,&x=0. \end{cases}

后一函数在 00 连续,但差商 sin(1/x)\sin(1/x) 没有极限。


4. 微分

4.1 定义

定义(可微)

Δy=f(x0+Δx)f(x0).\Delta y=f(x_0+\Delta x)-f(x_0).

若存在与 Δx\Delta x 无关的常数 AA,使

Δy=AΔx+o(Δx)(Δx0),\Delta y=A\Delta x+o(\Delta x) \qquad(\Delta x\to0),

则称 ffx0x_0 可微,线性主部

dy=AΔxdy=A\Delta x

称为函数在 x0x_0 的微分。

自变量的微分记作

dx=Δx,dx=\Delta x,

因而

dy=f(x0)dx.dy=f'(x_0)\,dx.

4.2 可导与可微

定理
一元函数在一点可微,当且仅当它在该点可导;此时

A=f(x0).A=f'(x_0).

因此

Δy=f(x0)Δx+o(Δx).\Delta y=f'(x_0)\Delta x+o(\Delta x).

4.3 线性近似

xx 接近 x0x_0 时,

f(x)f(x0)+f(x0)(xx0).f(x)\approx f(x_0)+f'(x_0)(x-x_0).

例如

1+h1+h2(h0).\sqrt{1+h}\approx1+\frac h2 \qquad(h\to0).

微分给出局部一阶近似,误差相对于 Δx\Delta x 是高阶无穷小。


5. 基本求导法则

u=u(x)u=u(x)v=v(x)v=v(x) 可导,cc 为常数,则

(u±v)=u±v,(u\pm v)'=u'\pm v', (cu)=cu,(cu)'=cu', (uv)=uv+uv,(uv)'=u'v+uv', (uv)=uvuvv2(v0).\left(\frac uv\right)' =\frac{u'v-uv'}{v^2} \qquad(v\ne0).

幂函数满足

(xα)=αxα1(x^\alpha)'=\alpha x^{\alpha-1}

其中定义域应按实函数情形确定。


6. 复合函数与反函数

6.1 链式法则

定理(链式法则)
u=g(x)u=g(x)x0x_0 可导,y=f(u)y=f(u)u0=g(x0)u_0=g(x_0) 可导,则复合函数 fgf\circ gx0x_0 可导,且

dydx=dydududx.\frac{dy}{dx} =\frac{dy}{du}\frac{du}{dx}.

链式法则可以推广到任意有限层复合。

6.2 反函数求导

定理
y=f(x)y=f(x)x0x_0 附近严格单调连续,在 x0x_0 可导,且

f(x0)0.f'(x_0)\ne0.

则反函数 x=f1(y)x=f^{-1}(y)y0=f(x0)y_0=f(x_0) 可导,并且

(f1)(y0)=1f(x0).(f^{-1})'(y_0) =\frac1{f'(x_0)}.

7. 基本初等函数的导数

(xα)=αxα1,(ex)=ex,(x^\alpha)'=\alpha x^{\alpha-1}, \qquad (e^x)'=e^x, (ax)=axlna,(lnx)=1x,(a^x)'=a^x\ln a, \qquad (\ln x)'=\frac1x, (sinx)=cosx,(cosx)=sinx,(\sin x)'=\cos x, \qquad (\cos x)'=-\sin x, (tanx)=sec2x,(arcsinx)=11x2,(\tan x)'=\sec^2x, \qquad (\arcsin x)'=\frac1{\sqrt{1-x^2}}, (arctanx)=11+x2.(\arctan x)'=\frac1{1+x^2}.

以上公式均需在相应实定义域内使用。


8. 隐式与对数求导

8.1 隐式求导

x,yx,y 满足关系

F(x,y)=0F(x,y)=0

且局部上 yy 可视为 xx 的可导函数,则对等式两边关于 xx 求导:

Fx+Fyy=0.F_x+F_y\,y'=0.

Fy0F_y\ne0 时,

y=FxFy.y'=-\frac{F_x}{F_y}.

这一公式将在隐函数定理中得到严格说明。

8.2 对数求导

对乘积、商或变指数幂函数,可先取对数再求导。

y=u(x)v(x)>0y=u(x)^{v(x)}>0,则

lny=v(x)lnu(x),\ln y=v(x)\ln u(x),

从而

yy=vlnu+vuu.\frac{y'}y =v'\ln u+v\frac{u'}u.

9. 参数方程求导

设曲线由

x=x(t),y=y(t)x=x(t),\qquad y=y(t)

给出。若 x(t)0x'(t)\ne0,则

dydx=dy/dtdx/dt=y(t)x(t).\frac{dy}{dx} =\frac{dy/dt}{dx/dt} =\frac{y'(t)}{x'(t)}.

若相关导数存在,则

d2ydx2=1x(t)ddt(y(t)x(t)).\frac{d^2y}{dx^2} =\frac{1}{x'(t)} \frac{d}{dt}\left(\frac{y'(t)}{x'(t)}\right).

10. 高阶导数

ff' 仍可导,则称

f=(f)f''=(f')'

为二阶导数。依次定义

f(n)(x)=dnfdxn.f^{(n)}(x) =\frac{d^nf}{dx^n}.

ff 在区间上具有直到 nn 阶的连续导数,则记作

fCn(I).f\in C^n(I).

Leibniz 公式

(uv)(n)=k=0n(nk)u(k)v(nk).(uv)^{(n)} =\sum_{k=0}^n \binom nk u^{(k)}v^{(n-k)}.

11. 本篇要点

  1. 导数是函数增量与自变量增量之比的极限。
  2. 双侧导数存在当且仅当左右导数存在且相等。
  3. 可导必连续,连续不一定可导。
  4. 一元函数可导与可微等价。
  5. 微分是函数增量的线性主部。
  6. 链式法则、反函数求导和参数方程求导是复合结构的基础。

下一篇将整理Fermat、Rolle、Lagrange 与 Cauchy 微分中值定理


参考教材

  1. 华东师范大学数学系,《数学分析(上册)》,高等教育出版社。
  2. Walter Rudin, Principles of Mathematical Analysis, 3rd ed.