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第二章 导数与微分

· 6 min

2.1 导数概念#

2.1.1 导数的定义#

定义:设函数 y=f(x)y=f(x) 在点 x0x_0 的某个邻域内有定义,当自变量 xx 在 x0x_0 处取得增量 Δx\Delta x 时,如果极限

f′(x0)=lim⁡Δx→0ΔyΔx=lim⁡Δx→0f(x0+Δx)−f(x0)Δxf'(x_0) = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{\Delta y}{\Delta x} = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{f(x_0+\Delta x) - f(x_0)}{\Delta x}

存在,则称函数 f(x)f(x) 在点 x0x_0 处可导,该极限值称为 f(x)f(x) 在点 x0x_0 处的导数。

等价形式: f′(x0)=lim⁡x→x0f(x)−f(x0)x−x0f'(x_0) = \lim_{x \to x_0} \frac{f(x) - f(x_0)}{x - x_0}

2.1.2 导数的几何意义#

导数 f′(x0)f'(x_0) 表示曲线 y=f(x)y=f(x) 在点 (x0,f(x0))(x_0, f(x_0)) 处切线的斜率。

切线方程:y−f(x0)=f′(x0)(x−x0)y - f(x_0) = f'(x_0)(x - x_0)

法线方程:y−f(x0)=−1f′(x0)(x−x0)y - f(x_0) = -\frac{1}{f'(x_0)}(x - x_0)(f′(x0)≠0f'(x_0) \neq 0)

2.1.3 可导与连续的关系#

定理:如果函数 f(x)f(x) 在点 x0x_0 处可导,则 f(x)f(x) 在点 x0x_0 处必连续。

2.1.4 左右导数#

左导数:f−′(x0)=lim⁡Δx→0−f(x0+Δx)−f(x0)Δxf'_-(x_0) = \lim_{\Delta x \to 0^-} \frac{f(x_0+\Delta x) - f(x_0)}{\Delta x}

右导数:f+′(x0)=lim⁡Δx→0+f(x0+Δx)−f(x0)Δxf'_+(x_0) = \lim_{\Delta x \to 0^+} \frac{f(x_0+\Delta x) - f(x_0)}{\Delta x}

充要条件:函数 f(x)f(x) 在点 x0x_0 处可导 ⇔f−′(x0)\Leftrightarrow f'_-(x_0) 和 f+′(x0)f'_+(x_0) 都存在且相等。


2.2 函数的求导法则#

2.2.1 四则运算求导法则#

设 u=u(x),v=v(x)u = u(x), v = v(x) 都可导,则:

和差法则:(u±v)′=u′±v′(u \pm v)' = u' \pm v'

乘积法则:(uv)′=u′v+uv′(uv)' = u'v + uv'

商法则:(uv)′=u′v−uv′v2\left(\frac{u}{v}\right)' = \frac{u'v - uv'}{v^2}(v≠0v \neq 0)

2.2.2 反函数求导法则#

定理:如果函数 x=φ(y)x = \varphi(y) 在某区间内单调可导,且 φ′(y)≠0\varphi'(y) \neq 0,则其反函数 y=f(x)y = f(x) 在对应区间内也可导,且

f′(x)=1φ′(y)=1φ′(f(x))f'(x) = \frac{1}{\varphi'(y)} = \frac{1}{\varphi'(f(x))}

或写作 yx′=1xy′y'_x = \frac{1}{x'_y}

2.2.3 复合函数求导(链式法则)#

定理:如果 u=g(x)u = g(x) 在点 xx 处可导,y=f(u)y = f(u) 在点 u=g(x)u = g(x) 处可导,则复合函数 y=f(g(x))y = f(g(x)) 在点 xx 处可导,且

dydx=dydu⋅dudx或[f(g(x))]′=f′(g(x))⋅g′(x)\frac{dy}{dx} = \frac{dy}{du} \cdot \frac{du}{dx} \quad \text{或} \quad [f(g(x))]' = f'(g(x)) \cdot g'(x)

2.2.4 基本导数公式表#

函数类型导数公式函数类型导数公式
常数(C)′=0(C)' = 0指数函数(ax)′=axln⁡a(a^x)' = a^x \ln a
幂函数(xα)′=αxα−1(x^\alpha)' = \alpha x^{\alpha-1}(ex)′=ex(e^x)' = e^x
对数函数(log⁡ax)′=1xln⁡a(\log_a x)' = \frac{1}{x \ln a}(ln⁡x)′=1x(\ln x)' = \frac{1}{x}
三角函数(sin⁡x)′=cos⁡x(\sin x)' = \cos x(cos⁡x)′=−sin⁡x(\cos x)' = -\sin x
(tan⁡x)′=sec⁡2x(\tan x)' = \sec^2 x(cot⁡x)′=−csc⁡2x(\cot x)' = -\csc^2 x
(sec⁡x)′=sec⁡xtan⁡x(\sec x)' = \sec x \tan x(csc⁡x)′=−csc⁡xcot⁡x(\csc x)' = -\csc x \cot x
反三角函数(arcsin⁡x)′=11−x2(\arcsin x)' = \frac{1}{\sqrt{1-x^2}}(arccos⁡x)′=−11−x2(\arccos x)' = -\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}
(arctan⁡x)′=11+x2(\arctan x)' = \frac{1}{1+x^2}(arccot⁡x)′=−11+x2(\operatorname{arccot} x)' = -\frac{1}{1+x^2}

2.3 高阶导数#

2.3.1 高阶导数的定义#

定义:导数的导数称为二阶导数,记作 y′′y'' 或 f′′(x)f''(x)。

f′′(x)=(f′(x))′=lim⁡Δx→0f′(x+Δx)−f′(x)Δxf''(x) = (f'(x))' = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{f'(x+\Delta x) - f'(x)}{\Delta x}

n阶导数:f(n)(x)=(f(n−1)(x))′f^{(n)}(x) = (f^{(n-1)}(x))'

2.3.2 莱布尼茨公式(乘积的高阶导数)#

定理:设 u=u(x),v=v(x)u = u(x), v = v(x) 都具有n阶导数,则

(uv)(n)=∑k=0nCnku(n−k)v(k)=Cn0u(n)v+Cn1u(n−1)v′+Cn2u(n−2)v′′+⋯+Cnnuv(n)(uv)^{(n)} = \sum_{k=0}^n C_n^k u^{(n-k)}v^{(k)} = C_n^0 u^{(n)}v + C_n^1 u^{(n-1)}v' + C_n^2 u^{(n-2)}v'' + \cdots + C_n^n uv^{(n)}

其中 Cnk=n!k!(n−k)!C_n^k = \frac{n!}{k!(n-k)!} 为组合数。

2.3.3 常见函数的n阶导数#

幂函数:(xm)(n)=m(m−1)(m−2)⋯(m−n+1)xm−n=m!(m−n)!xm−n(x^m)^{(n)} = m(m-1)(m-2)\cdots(m-n+1)x^{m-n} = \frac{m!}{(m-n)!}x^{m-n}

指数函数:(ex)(n)=ex(e^x)^{(n)} = e^x

三角函数:

对数函数:(ln⁡x)(n)=(−1)n−1(n−1)!xn(\ln x)^{(n)} = (-1)^{n-1} \frac{(n-1)!}{x^n}


2.4 隐函数与参数方程求导#

2.4.1 隐函数求导法#

定义:由方程 F(x,y)=0F(x,y) = 0 确定的函数 y=y(x)y = y(x) 称为隐函数。

求导步骤:

  1. 方程两边对 xx 求导(注意 yy 是 xx 的函数)
  2. 利用链式法则:ddxf(y)=f′(y)⋅y′\frac{d}{dx}f(y) = f'(y) \cdot y'
  3. 解出 y′y'

2.4.2 对数求导法#

适用情况:

  1. 幂指函数:y=u(x)v(x)y = u(x)^{v(x)}
  2. 连乘连除、多次方根的复杂函数

求导步骤:

  1. 两边取自然对数:ln⁡y=v(x)ln⁡u(x)\ln y = v(x) \ln u(x)
  2. 两边对 xx 求导:y′y=v′(x)ln⁡u(x)+v(x)u′(x)u(x)\frac{y'}{y} = v'(x)\ln u(x) + v(x)\frac{u'(x)}{u(x)}
  3. 解出 y′y':y′=y[v′(x)ln⁡u(x)+v(x)u′(x)u(x)]y' = y \left[v'(x)\ln u(x) + v(x)\frac{u'(x)}{u(x)}\right]

2.4.3 参数方程求导#

参数方程:{x=ϕ(t)y=ψ(t)\begin{cases} x = \phi(t) \\ y = \psi(t) \end{cases}

一阶导数:dydx=dy/dtdx/dt=ψ′(t)ϕ′(t)\frac{dy}{dx} = \frac{dy/dt}{dx/dt} = \frac{\psi'(t)}{\phi'(t)}

二阶导数: d2ydx2=ddx(dydx)=ddt(dydx)⋅dtdx=ddt(ψ′(t)ϕ′(t))ϕ′(t)\frac{d^2y}{dx^2} = \frac{d}{dx}\left(\frac{dy}{dx}\right) = \frac{d}{dt}\left(\frac{dy}{dx}\right) \cdot \frac{dt}{dx} = \frac{\frac{d}{dt}\left(\frac{\psi'(t)}{\phi'(t)}\right)}{\phi'(t)}


2.5 函数的微分#

2.5.1 微分的定义#

定义:设函数 y=f(x)y = f(x) 在某区间内有定义,x0x_0 及 x0+Δxx_0 + \Delta x 在该区间内。如果函数的增量

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

可以表示为

Δy=AΔx+o(Δx)\Delta y = A \Delta x + o(\Delta x)

其中 AA 不依赖于 Δx\Delta x,则称函数 f(x)f(x) 在点 x0x_0 处可微,AΔxA\Delta x 称为函数 f(x)f(x) 在点 x0x_0 处的微分,记作 dydy,即

dy=AΔxdy = A \Delta x

2.5.2 微分与导数的关系#

定理:函数 f(x)f(x) 在点 xx 处可微的充要条件是 f(x)f(x) 在点 xx 处可导,且

dy=f′(x)dxdy = f'(x) dx

其中 dx=Δxdx = \Delta x 称为自变量的微分。

2.5.3 微分的形式不变性#

无论 uu 是自变量还是中间变量,微分形式 dy=f′(u)dudy = f'(u)du 保持不变。

2.5.4 微分在近似计算中的应用#

近似公式:当 ∣Δx∣|\Delta x| 很小时,

f(x0+Δx)≈f(x0)+f′(x0)Δxf(x_0 + \Delta x) \approx f(x_0) + f'(x_0)\Delta x

或写作

f(x)≈f(x0)+f′(x0)(x−x0)f(x) \approx f(x_0) + f'(x_0)(x - x_0)

常用近似公式(当 ∣x∣|x| 很小时):

  1. 1+xn≈1+xn\sqrt[n]{1 + x} \approx 1 + \frac{x}{n}
  2. (1+x)α≈1+αx(1 + x)^\alpha \approx 1 + \alpha x
  3. sin⁡x≈x\sin x \approx x
  4. tan⁡x≈x\tan x \approx x
  5. ex≈1+xe^x \approx 1 + x
  6. ln⁡(1+x)≈x\ln(1 + x) \approx x