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。