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 f 在 x0 的某个邻域内有定义。若有限极限
x→x0limx−x0f(x)−f(x0)
存在,则称 f 在 x0 可导,该极限称为 f 在 x0 的导数,记作
f′(x0),dxdfx=x0.
令 Δx=x−x0,导数也可写为
f′(x0)=Δx→0limΔxf(x0+Δx)−f(x0).
1.2 几何与物理意义
若曲线 y=f(x) 在 x0 处可导,则切线斜率为 f′(x0),切线方程为
y−f(x0)=f′(x0)(x−x0).
若 s=s(t) 表示位移,则 s′(t) 表示瞬时速度,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)=x→x0+limx−x0f(x)−f(x0),
f−′(x0)=x→x0−limx−x0f(x)−f(x0).
定理
f′(x0)存在⟺f−′(x0)=f+′(x0)
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)=∣x∣ 在 0 处有
f−′(0)=−1,f+′(0)=1,
所以不可导。
3. 可导与连续
定理
若 f 在 x0 可导,则 f 在 x0 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∣,
以及
f(x)={xsin(1/x),0,x=0,x=0.
后一函数在 0 连续,但差商 sin(1/x) 没有极限。
4. 微分
4.1 定义
定义(可微)
设
Δy=f(x0+Δx)−f(x0).
若存在与 Δx 无关的常数 A,使
Δy=AΔx+o(Δx)(Δx→0),
则称 f 在 x0 可微,线性主部
dy=AΔx
称为函数在 x0 的微分。
自变量的微分记作
dx=Δx,
因而
dy=f′(x0)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).
因此
Δy=f′(x0)Δx+o(Δx).
4.3 线性近似
当 x 接近 x0 时,
f(x)≈f(x0)+f′(x0)(x−x0).
例如
1+h≈1+2h(h→0).
微分给出局部一阶近似,误差相对于 Δx 是高阶无穷小。
5. 基本求导法则
若 u=u(x)、v=v(x) 可导,c 为常数,则
(u±v)′=u′±v′,
(cu)′=cu′,
(uv)′=u′v+uv′,
(vu)′=v2u′v−uv′(v=0).
幂函数满足
(xα)′=αxα−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)
若 u=g(x) 在 x0 可导,y=f(u) 在 u0=g(x0) 可导,则复合函数 f∘g 在 x0 可导,且
dxdy=dudydxdu.
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
设 y=f(x) 在 x0 附近严格单调连续,在 x0 可导,且
f′(x0)=0.
则反函数 x=f−1(y) 在 y0=f(x0) 可导,并且
(f−1)′(y0)=f′(x0)1.
7. 基本初等函数的导数
(xα)′=αxα−1,(ex)′=ex,
(ax)′=axlna,(lnx)′=x1,
(sinx)′=cosx,(cosx)′=−sinx,
(tanx)′=sec2x,(arcsinx)′=1−x21,
(arctanx)′=1+x21.
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
若 x,y 满足关系
F(x,y)=0
且局部上 y 可视为 x 的可导函数,则对等式两边关于 x 求导:
Fx+Fyy′=0.
当 Fy=0 时,
y′=−FyFx.
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。
若 y=u(x)v(x)>0,则
lny=v(x)lnu(x),
从而
yy′=v′lnu+vuu′.
9. 参数方程求导
设曲线由
x=x(t),y=y(t)
给出。若 x′(t)=0,则
dxdy=dx/dtdy/dt=x′(t)y′(t).
若相关导数存在,则
dx2d2y=x′(t)1dtd(x′(t)y′(t)).
10. 高阶导数
若 f′ 仍可导,则称
f′′=(f′)′
为二阶导数。依次定义
f(n)(x)=dxndnf.
若 f 在区间上具有直到 n 阶的连续导数,则记作
f∈Cn(I).
Leibniz 公式
(uv)(n)=k=0∑n(kn)u(k)v(n−k).
11. 本篇要点
- 导数是函数增量与自变量增量之比的极限。
- 双侧导数存在当且仅当左右导数存在且相等。
- 可导必连续,连续不一定可导。
- 一元函数可导与可微等价。
- 微分是函数增量的线性主部。
- 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
- 华东师范大学数学系,《数学分析(上册)》,高等教育出版社。
- Walter Rudin, Principles of Mathematical Analysis, 3rd ed.