第四章 导数与微分
§1 导数的引进和定义
一 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) 设函数在
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:求在点
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。
注 若在点
不连续,则
在
必不可导。但
在点
连续,未必有
在
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
为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,在
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
=
。
例: 设 讨论
在
处的左、右导数与导数。
注 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
点
的切线的斜率。
例: 求曲线在点
处的切线方程与法线方程。
§2 简单函数的导数
一 常数的导数
。
二 三角函数的导数
;
三 对数函数的导数
。
四 幂函数的导数
。
例 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) 若,
可导,则函数
也可导,且
。
例:
,求
,
。
定理2(积的运算法则)若,
可导,则函数
也可导,且
。
例:
,求
。
定理3(数乘的运算法则)若可导,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
。
例3:设,求
。
二 反函数的导数
定理5 设为
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
一 复合函数的导数
定理1. 设在点
可导,
在点
可导,则复合函数
在点
可导,且
。
例:
,求
。
例:
设,求
,
。
例:
设,其中
且
和
均可导,试求此幂指函数的导数。(对数求导法)
例:
设 (
),求
。
§5 微分及其运算
一 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
为
在点
的微分,记作:
or
定义2 若在区间
上每一点都可微,则称
为
上的可微函数。函数
在
上任一点
处的微分记作
,
。
注:(1)依赖于
和
,但
与
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)。
二 微分的运算法则
(1);(2)
;
(3);(4)
,其中
。
注 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:求的微分。
例:求的微分。
§6 隐函数及参数方程所表示函数的求导法
一 隐函数求导法
设,
为
的函数,等式两边对
求导,得
。
从而
。
例:设,求
。
二 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
在
时的导数。
例:求下面由参数方程所确定的函数的导数,
。
在
处。
注 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:在
不可导。
例:求函数在
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
一 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
,
或
。
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
。
函数的
阶导数的导数称为函数
的
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:的
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,
。
注 将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。
设,
在[
]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。
二 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
注 (1);
是x的二阶微分(
=0);
是
的微分(一阶)(=
);(2)
是n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:记,
,分别求
,(1)当
是自变量时,(2)当
是因变量时。