第四章 导数与微分

§1  导数的引进和定义

 

  导数的引进

1.  引言(背景)

来看两个实际问题。

问题1 已知曲线求它的切线:曲线方程是其上一点,求过点的切线方程。

问题2 已知运算规律,求物体运动速度,运动规律:为某一确定时刻,求质点在时刻的速度。

上述两问题中,第一个是几何学的问题,后一个是物理学问题,但问题都归结到求形如

                    

的极限问题。

二、导数的定义及几何意义

定义1导数 设函数的某邻域内有定义,若极限

存在,则称函数在点处可导,并称该极限为在点处的导数,记作。即

若上述极限不存在,则称在点处不可导。

1.       利用导数定义求导数的几个例子

例:在点处的导数。

2.    可导与连续的连续

定理1   若函数在点可导,则在点连续。

若在点不连续,则必不可导。但在点连续,未必有可导。

3.    单侧导数的概念

定义2 右导数  设函数在点的某右邻域上有定义,若右极限

 

存在,则称该极限为在点的右导数,记作

左导数  

左、右导数统称为单侧导数

4. 可导函数

若函数在区间I上每一点都可导(对区间端点,仅考虑单侧导数),则称I上的可导函数。

5. 导函数

6. 函数在点的导数与导函数的区别与联系

区别:导数是就一点而言的,是一个确定的数,一般与所给函数以及的值均有关,与无关;导函数是就一个区间而言的,是一个确定的函数,与所给函数有关,与均无关。

联系:函数在某点的导数就是导函数在该点的值,因此,的导数也记为:

7     导数与左、右导数的关系:

  定理2  若函数在点的某邻域内有定义,则存在都存在,且=

:    讨论处的左、右导数与导数。

 讨论分段函数在分段点处的导数,应用导数的定义。

8. 导数的几何意义

表示的切线的斜率。

: 求曲线在点处的切线方程与法线方程。

 

§2 简单函数的导数

 

  常数的导数

三角函数的导数

对数函数的导数

幂函数的导数

按定义证明,可导的偶函数其导函数是奇函数。

 

§3 求导法则

 

一、             导数的四则运算

一般地,有如下的求导法则:

定理1(和差的运算法则)  可导,则函数也可导,且 

例: ,求

定理2(积的运算法则)可导,则函数也可导,且

例: ,求

定理3(数乘的运算法则)可导,则函数也可导,

定理4(相除的运算法则)  若函数可导,且,则也可导,且

3:设,求

  反函数的导数

定理5  的反函数,若在点的某邻域内连续,严格单调且,则在点)可导,且

注:反函数的倒数等于原函数的倒数份之一。

例:);

例:

例:

 

§4 复合函数求导法

 

  复合函数的导数

定理1. 在点可导,在点可导,则复合函数在点可导,且

例: ,求 

例: ,求

例: ,其中均可导,试求此幂指函数的导数。(对数求导法

例:  ),求

 

§5 微分及其运算

 

微分的定义

    1.引言

先考察一个具体的问题,推得一般情形。

2.微分的定义

定义1  函数定义在点的某邻域内。当给一个增量时,相应地得到函数的增量为。如果存在常数,使得能有

                          1

则称函数在点可微,并称(1)中右端第一项在点的微分,记作:

  or   

定义2  在区间上每一点都可微,则称上的可微函数。函数上任一点处的微分记作

 

注:1依赖于,但无关是两个相互独立的变量。

可微与可导的关系:

定理1  函数f在点可微f在点可导,而且

注:3,所以微分

4)对可导函数,有,从而有,即函数的导数是函数微分与自变量微分的商(导数即微商)。

微分的运算法则

1;(2

3;(4,其中

在(4)中,由于。即(4)式:不仅在为自变量时成立,当它是另一个可微函数的因变量时也成立。这性质成为一阶微分的形式不变性。

例:的微分。

例:的微分。

 

 

§6  隐函数及参数方程所表示函数的求导法

 

隐函数求导法

的函数,等式两边对求导,得

从而

            

例:,求

参数方程所表示函数的求导法

   设函数由参数方程确定,其中是参数,则

.

例:求所确定的函数时的导数。

例:求下面由参数方程所确定的函数的导数

  处。

分清求导的对象,即到底是关于哪个变量求导。

 

§7  不可到的函数举例

 

例:不可导。

例:求函数点的左导数和右导数。

注:处处连续但处处不可导的函数是存在的。

 

§8  高阶导数与高阶微分

 

  高阶导数及其运算法则

定义  若函数的导函数在点可导,则称在点的导数为在点的二阶导数,记作

函数的二阶导数一般仍旧是的函数。如果对它再求导数,如果导数存在的话,称之为函数的三阶导数,记为,或

函数阶导数的导数称为函数阶导数,记为,或

  二阶及二阶以上的导数都称为高阶导数

从高阶导数的定义可知,求高阶导数无非是反复运用求一阶导数的方法。

例:求幂函数的各阶导数。

一般地,任何首项系数为1的多项式:阶导数为阶导数为零。

例:

例:,则

高阶导数的计算法则

  1

  2

      Leibniz公式)

其中

Leibniz公式与二项式展开作一比较可见:

。(这里 ),在形式上二者有相似之处。

从定义出发,重复应用一阶导数法则,容易建立“复合函数”的高阶导数,“参数方程”的高阶导数公式。但这些公式非常繁,对于求高阶导数没有多大帮助,因此不作深入讨论。

  作为例子,我们指出参数方程求二阶导数的方法。

[]上都是二阶可导,则由参数方程所确定的函数的一阶导数。则

例:试求由摆线参量方程所确定的函数的二阶导数。

 高阶微分

对于函数,类似于高阶导数,可以定义高阶微分,具体做法如下:

二阶微分定义为

称之为函数的二阶微分。记作 or

一般地,阶微分是阶微分的微分,记作,即

1 x的二阶微分(=0);的微分(一阶)(=);(2n阶导数记法的来由;(3)一阶微分具有形式不变性,对于高阶微分已不具备此性质,以二阶微分为例。若,则(ⅰ)当x为自变量时,;(ⅱ)当为因变量,如时,

例:,分别求,(1)当是自变量时,(2)当是因变量时。