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导数基本概念

*极限与连续​

高中阶段不要求对极限的掌握,本章仅做了解即可,不做应试要求.

数列的极限​

直观上看,数列 an=1na_n = \df 1 n 在 n→+∞n \to +\infty 时无限接近于 00.这个「无限接近于 00」到底如何严谨地刻画呢?

答案是魏尔斯特拉斯提出的,具有划时代意义的 ε-N\varepsilon \text - N 语言:

对于数列 {an}\{a_n\},如果存在实数 aa,使得 ∀ε>0\forall \varepsilon > 0,∃N∈N∗\exist N \in \N^\ast,∀n>N\forall n > N,有 ∣an−a∣<ε|a_n - a| < \varepsilon,则称数列 {an}\{a_n\} 收敛于 aa,aa 是 {an}\{a_n\} 的 极限,记作

lim⁡n→∞an=a\lim_{n \to \infty} a_n = a

也就是说,如果对于任意一个 ε>0\varepsilon > 0,我们都能找到这个数列的某一项,使得 从这一项起后面的任一项 与 aa 的距离均小于 ε\varepsilon,就称这个数列收敛于 aa.

当一个数列不收敛时,称它是 发散 的.

例

用极限的定义证明 an=1na_n = \df 1 n 时,{an}\{a_n\} 收敛到 00.

解答
∣1n−0∣=1n<ε  ⟺  n>1ε\lv \df 1 n - 0 \rv = \df 1 n < \varepsilon \iff n > \df 1 \varepsilon

因此,对任意 ε>0\varepsilon > 0,取 N=max⁡{⌊1ε⌋,1}N = \max\left\{\left\lfloor \df 1 \varepsilon \right\rfloor, 1\right\},则 n>Nn > N 时,有

∣1n−0∣<ε\lv \df 1 n - 0 \rv < \varepsilon

因此 lim⁡n→+∞1n=0\lim\limits_{n \to +\infty} \df 1 n = 0.

高中阶段不要求证明极限.数列 {1n}\left\{\df 1 n\right\} 在 n→∞n \to \infty 时趋于 00 是一个可以直接写出的结论.

函数的极限​

对于实数 aa,称区间 (a−δ,a+δ)(a-\de,a+\de) 为 aa 的「δ\de 邻域」,记为 Uδ(a)U_\de(a),其中 δ\de 是一正实数(一般较小).若 δ\de 的大小是无关紧要的,则 aa 的邻域简记为 U(a)U(a).

区间 (a−δ,a)∪(a,a+δ)(a-\de,a)\cup(a,a+\de) 称为 aa 的「去心 δ\de 邻域」,记为 U˚δ(a)\mathring U_\de(a).

对于函数 f(x)f(x) 及其定义域上实数 x0x_0,如果存在实数 AA,使得 ∀ε>0\forall \varepsilon > 0,∃δ>0\exist \delta > 0,对任意 x∈U˚δ(x0)=(x0−δ,x0)∪(x0,x0+δ)x \in \mathring U_\delta(x_0) = (x_0 - \delta, x_0) \cup (x_0, x_0 + \delta),有 ∣f(x)−A∣<ε|f(x) - A| < \varepsilon,则 AA 称作 f(x)f(x) 在点 x0x_0 处的 极限,记作

lim⁡x→x0f(x)=A\lim_{x \to x_0} f(x) = A

这就是严格定义函数极限的 ε-δ\varepsilon \text - \delta 语言.也就是说,对于任意 ε>0\varepsilon > 0,我们都能找到一段定义域上 包含 x0x_0 但是扣去 x0x_0 的区间,使得这个区间上对应的函数值与 AA 的距离都小于 ε\varepsilon,就称函数在点 x0x_0 处的极限为 AA.

函数的极限

可以证明,函数在某点存在极限,则这个极限唯一.

函数极限的运算法则​

假设极限 lim⁡x→af(x)\lim\limits_{x\to a}f(x) 和 lim⁡x→ag(x)\lim\limits_{x\to a}g(x) 存在.

  • lim⁡x→a[f(x)±g(x)]=lim⁡x→af(x)±lim⁡x→ag(x)\lim\limits_{x \to a} [f(x) \pm g(x)] = \lim\limits_{x \to a} f(x) \pm \lim\limits_{x \to a} g(x).
  • lim⁡x→a[f(x)g(x)]=lim⁡x→af(x)⋅lim⁡x→ag(x)\lim\limits_{x \to a} [f(x)g(x)] = \lim\limits_{x \to a} f(x) \cdot \lim\limits_{x \to a} g(x).
  • 当 lim⁡x→ag(x)≠0\* \lim\limits_{x \to a} g(x) \ne 0 时,lim⁡x→af(x)g(x)=lim⁡x→af(x)lim⁡x→ag(x)\lim\limits_{x \to a} \df{f(x)}{g(x)} = \df{\lim\limits_{x \to a} f(x)}{\lim\limits_{x \to a} g(x)}.
  • 设 y=f(φ(x))y=f(\ph(x)) 是由 y=f(u)y=f(u) 和 u=φ(x)u=\ph(x) 复合而成的函数,其中 lim⁡x→x0φ(x)=u0\lim\limits_{x\to x_0}\ph(x)=u_0 且 φ(x)≠u0\ph(x)\ne u_0,且 lim⁡u→u0f(u)=A\lim\limits_{u\to u_0}f(u)=A,则 lim⁡x→x0f(φ(x))=lim⁡u→u0f(u)=A. \lim\limits_{x\to x_0}f(\ph(x))=\lim\limits_{u\to u_0}f(u)=A. 特别地,若 f(u)f(u) 在 u0u_0 附近连续,即 lim⁡u→u0f(u)=f(u0)=A\lim\limits_{u\to u_0}f(u)=f(u_0)=A,则 lim⁡x→x0f(φ(x))=f(lim⁡x→x0φ(x))=f(u0)=A. \lim\limits_{x\to x_0}f(\ph(x))=f\left(\lim\limits_{x\to x_0}\ph(x)\right)=f(u_0)=A.

这些性质不难感性理解,也可以严格证明,证明高中阶段不作要求,这里不给出.

无穷小​

若 lim⁡x→af(x)=0\lim\limits_{x \to a} f(x) = 0,称 f(x)f(x) 为 x→ax \to a 时的 无穷小.

根据上面的四则运算规则,可以得知:

  • 若 f(x)f(x),g(x)g(x) 都是 x→ax \to a 时的无穷小,则 f(x)±g(x)f(x) \pm g(x) 是 x→ax \to a 时的无穷小.
  • 若 f(x)f(x) 是 x→ax \to a 时的无穷小,且 lim⁡x→ag(x)\lim\limits_{x \to a} g(x) 存在(更宽松的条件是 g(x)g(x) 在 aa 附近有上下界),则 f(x)⋅g(x)f(x) \cdot g(x) 是 x→ax \to a 时的无穷小.

但两个无穷小的商不能确定:运算法则规定了分母不能为无穷小.

设 f(x)f(x),g(x)g(x) 为 x→ax \to a 时的两个无穷小,且 g(x)≠0g(x) \ne 0,当 lim⁡x→af(x)g(x)\lim\limits_{x \to a} \df{f(x)}{g(x)} 存在时,

  • 若 lim⁡x→af(x)g(x)=0\lim\limits_{x \to a} \df{f(x)}{g(x)} = 0,则称当 x→ax \to a 时,f(x)f(x) 是 g(x)g(x) 的 高阶无穷小.
  • 若 lim⁡x→af(x)g(x)=b≠0\lim\limits_{x \to a} \df{f(x)}{g(x)} = b \ne 0,则称当 x→ax \to a 时,f(x)f(x) 与 g(x)g(x) 是 同阶无穷小.
  • 特别地,若 b=1b = 1 ,则称当 x→ax \to a 时,f(x)f(x) 与 g(x)g(x) 是 等价无穷小,记作 f(x)∼g(x)(x→a)f(x) \sim g(x)\quad(x \to a).

等价无穷小替换公式:设 f(x)∼F(x)(x→a)f(x) \sim F(x) \quad (x \to a),g(x)∼G(x)(x→a)g(x) \sim G(x) \quad (x \to a),则

=lim⁡x→af(x)g(x)=lim⁡x→a[F(x)G(x)⋅f(x)F(x)⋅G(x)g(x)]=lim⁡x→aF(x)G(x)⋅lim⁡x→af(x)F(x)⋅lim⁡x→aG(x)g(x)=lim⁡x→aF(x)G(x)\bal & \phantom = \lim\limits_{x \to a} \df{f(x)}{g(x)} \\ & = \lim\limits_{x \to a} \left[\df{F(x)}{G(x)} \cdot \df{f(x)}{F(x)} \cdot \df{G(x)}{g(x)}\right]\\ & = \lim\limits_{x \to a} \df{F(x)}{G(x)} \cdot \lim\limits_{x \to a} \df{f(x)}{F(x)} \cdot \lim\limits_{x \to a} \df{G(x)}{g(x)} \\ & = \lim\limits_{x \to a} \df{F(x)}{G(x)} \eal

也即对一个分式求极限时,分子与分母可以 替换为它的等价无穷小,而 极限值不改变,这个规则称作 等价无穷小替换规则.

一个最经典的等价无穷小是 x∼sin⁡x∼tan⁡x(x→0)x \sim \sin x \sim \tan x \quad (x \to 0)(证明从略).

高中物理中一些公式的推导用到的,所谓「xx 很小,将 sin⁡x\sin x 近似为 xx」的原理,其实就是在做上面的 等价无穷小替换.

连续的定义​

设函数 f(x)f(x) 在点 aa 存在极限,且

lim⁡x→af(x)=f(a)\lim_{x \to a}f(x) = f(a)

称 f(x)f(x) 在点 aa 连续.

可以证明,所有初等函数在定义域上都处处连续.

导数的定义​

对连续函数 f(x)f(x),令自变量从 xx 从 x0x_0 出发,当自变量变化了 Δx\Delta x 时,因变量 f(x)f(x) 会变化

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

这个过程中,称因变量变化与自变量变化之比为 因变量的平均变化速度,即

ΔfΔx=f(x0+Δx)−f(x0)Δx\df{\Delta f}{\Delta x} = \df{f(x_0 + \Delta x) - f(x_0)}{\Delta x}

这里的平均变化速度有两个意义需要体会:

  • 物理意义:将 f(x)f(x) 图像视作某个物体做直线运动的 x-tx \text - t 图像,则上式相当于从 x0x_0 时刻开始的 Δx\Delta x 时间内,物体平均速度 的大小.
  • 斜率意义:上式为点 (x0,f(x0))(x_0, f(x_0)) 与 (x0+Δx,f(x0+Δx))(x_0 + \Delta x, f(x_0 + \Delta x)) 的 连线斜率.

在物理中,物体的瞬时速度定义为上述平均速度中,将 Δx\Delta x 趋近于 00 的结果.在数学上用极限表达就是

lim⁡Δx→0f(x0+Δx)−f(x0)Δx\lim_{\Delta x \to 0} \df{f(x_0 + \Delta x) - f(x_0)}{\Delta x}

这是两个无穷小相比,当极限存在时,称 ff 在 x0x_0 处 可导,此极限值为 ff 在 x0x_0 处的 导数,记作

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

可以证明,函数在某点 可导 比函数在某点 连续 要 强.

其物理意义为瞬时速度,斜率意义为 切线斜率:

Loading

将 BB 拖至与 AA 无限接近,此时斜线的斜率会趋近一个值,这个值就是 ff 在 xAx_A 处的 导数.

我们定义:一元函数在点 x0x_0 处的 切线 为 过点 (x0,f(x0))(x_0, f(x_0)) 且斜率为 f′(x0)f'(x_0) 的直线,即

y−f(x0)=f′(x0)(x−x0)y - f(x_0) = f'(x_0)(x - x_0)

根据上面的讨论,对于一条过函数图线上某两点的 割线,让其中一点 沿着函数图线 无限 逼近 另一点,得到的直线即 切线.

:::warning(感觉表述不好 -ljh)

函数切线的定义与圆锥曲线中的切线定义有所不同.圆锥曲线中的切线的定义是一条 与圆锥曲线有且仅有一个交点 的直线,但一元函数的切线与函数本身的交点不一定只有一个.

不过,圆锥曲线的切线也可视作割线逼近的产物,一元函数的切线与圆锥曲线的切线都称作切线,正是这个原因.

:::

一般地,如果函数 f(x)f(x) 在定义域 DD 内每一点都 可导,则称 f(x)f(x) 可导.∀x∈D\forall x \in D,f′(x)f'(x) 唯一确定,因此 f′(x)f'(x) 是在 DD 上的一个函数,这个函数称作 导函数,简称 导数.求导 通常指的是求函数 ff 的 导函数 的过程.

初等函数不一定处处可导,如:

  • f(x)=∣x∣=x2f(x) = |x| = \sqrt{x^2} 的图像为一个 V 形,在 x=0x = 0 处从两侧进行「割线逼近切线」,逼近出的切线斜率不同,左侧为 −1-1,右侧为 11,因此该函数在 x=0x = 0 不可导.
  • f(x)=x3f(x) = \sqrt[3] x 在 x=0x = 0 的切线为竖直线,斜率不存在,因此该函数在 x=0x = 0 不可导.

对于这样的函数,其导函数在原函数的定义域上舍去不可导的部分(这两例中为 00),但这样的初等函数是少数.

因此,导函数 的 定义域 一定是 原函数 的 子集,并且在绝大多数情况下 两个定义域相同.

求导法则​

基本初等函数的导数​

由导数的定义和极限的性质可以推出(假设下面的函数都有定义):

  • 常函数 的导数:C′=0C'=0,其中 CC 为任意常数.
  • 幂函数 的导数:(xα)′=αxα−1(x^\alpha)' = \red{\alpha}x ^{\red{\alpha - 1}},其中 α\al 为非零有理数.
  • 三角函数 的导数:(sin⁡x)′=cos⁡x(\sin x)' = \cos x,(cos⁡x)′=−sin⁡x(\cos x)' = \red - \sin x,*(tan⁡x)′=1cos⁡2x=sec⁡2x(\tan x)'=\df1{\cos^2x}=\sec^2x.
  • 指数函数 的导数:(ax)′=axln⁡a(a^x)' = a^x \ln a,(log⁡ax)′=1xln⁡a,x>0(\log_a x)' = \df{1}{x \ln a}, \quad \red{x > 0}.
  • 指数函数 中 a=ea = \mathrm e 的情形值得注意:(ex)′=ex(\e^x)' = \e^x,(ln⁡x)′=1x,x>0(\ln x)' = \df 1 x, \quad \red {x > 0}.

其中 e\e 为自然对数 ln⁡\ln 的底,称为 自然常数,其值为 2.718281828459…2.718281828459\dots.它是一个无理数.

必须指出,log⁡ax\log_a x 的定义域为 (0,+∞)(0, +\infty),但其导数形式 1xln⁡a\df{1}{x \ln a} 的自然定义域是 {x∣x≠0}\{x \mid x \ne 0\},因此必须加上定义域 (0,+∞)(0, +\infty) 的限制.

*自然常数 e\e 可以定义为

e=lim⁡x→+∞(1+1x)x.\e = \lim_{x \to +\infty}\left(1 + \df 1 x\right)^x.

自然常数 e\e 与自然对数 ln⁡\ln 的特别意义到现在终于明显:它们在指对函数的求导上具有高度的基础性和特殊性.

导数的四则运算​

由导数的定义和极限的性质可以推出:

[f(x)±g(x)]′=f′(x)±g′(x),[f(x)⋅g(x)]′=f′(x)⋅g(x)+f(x)⋅g′(x),[f(x)g(x)]′=f′(x)⋅g(x)−f(x)⋅g′(x)g2(x).\begin{array}{rcl} [f(x) \pm g(x)]' & = & f'(x) \pm g'(x),\\[1em] [f(x) \cdot g(x)]' & = & f'(x) \cdot g(x) + f(x) \cdot g'(x),\\[1em] \left[\dfrac{f(x)}{g(x)}\right]' & = & \dfrac{f'(x) \cdot g(x) - f(x) \cdot g'(x)}{g^2(x)}. \end{array}

除法求导法则的要点:上面先导,下面后导,中间是 减号.

推论:

[cf(x)]′=[c(x)⋅f(x)]′=c′(x)⋅f(x)+c(x)⋅f′(x)=c(x)⋅f′(x)[cf(x)]' = [c(x) \cdot f(x)]' = \red{c'(x) \cdot f(x)} + c(x) \cdot f'(x) = c(x) \cdot f'(x)

这里 cc 是常数,c(x)c(x) 是常函数 c(x)=cc(x) = c.而 c′(x)=0c'(x) = 0,因此标红的一项为 00.

这条规则的意义是:f(x)f(x) 与 常数 相乘的导数,等于 f(x)f(x) 的导数与常数相乘.

这里的常数不仅可以是数字,还可以是 与 xx 无关的参数,如 f(x)=(a+3)x2f(x) = (a + 3)x^2,则 f′(x)=(a+3)⋅(x2)′=2(a+3)xf'(x) = (a+3)\cdot(x^2)' = 2(a + 3)x.

以及 f(x)=x22f(x) = \df{x^2}2,f(x)=x2a+3f(x) = \df{x^2}{a + 3},可以分别将常数视作 12\df 1 2 与 1a+3\df 1 {a + 3} 来运用此规则(而不是运用除法导数运算法则).

[exf(x)]′=(ex)′⋅f(x)+ex⋅[f(x)]′=ex⋅[f(x)+f′(x)][\e^xf(x)]' = (\e^x)' \cdot f(x) + \e^x \cdot [f(x)]' = \e^x \cdot [f(x) + f'(x)]

复合函数的导数​

复合函数的求导法则:设

  • 函数 u=g(x)u=g(x) 在点 xx 处可导,即 ux′=g′(x)u'_x=g'(x);
  • 函数 y=f(u)y=f(u) 在点 u=g(x)u=g(x) 处可导,即 yu′=f′(u)=f′(g(x))y'_u=f'(u)=f'(g(x)),

则复合函数 y=f(g(x))y=f(g(x)) 在该点 xx 处可导,且

[f(g(x))]′=f′(g(x))g′(x). [f(g(x))]'=f'(g(x))g'(x).

注意区分 [f(φ(x))]′[f(\ph(x))]' 和 f′(φ(x))f'(\ph(x)):

  • 前者指的是函数 g(x)=f(φ(x))g(x)=f(\ph(x)) 对自变量 xx 的导数在点 xx 处的取值;
  • 后者指的是函数 f(u)f(u) 对自变量 uu 的导数在点 u=φ(x)u=\ph(x) 处的取值.
例 1

求 y=sin⁡2xy=\sin 2x 的导数.

例 1 解答

令 y=sin⁡uy=\sin u,u=2xu=2x,则 y′(x)=y′(u)⋅u′(x)=cos⁡u⋅2=2cos⁡2xy'(x)=y'(u)\cdot u'(x)=\cos u\cdot 2=2\cos 2x.

熟练之后,可以不用设中间变量:(sin⁡2x)′=cos⁡2x⋅(2x)′=2cos⁡2x(\sin2x)'=\cos2x\cdot(2x)'=2\cos2x.

例 2

求 y=1+x2y=\sqrt{1+x^2} 的导数.

例 2 解答

令 y=u=u1/2y=\sqrt u=u^{1/2},u=1+x2u=1+x^2,则 y′(u)=12u−1/2=12uy'(u)=\dfrac12u^{-1/2}=\dfrac1{2\sqrt u},u′(x)=2xu'(x)=2x,故

y′(x)=y′(u)⋅u′(x)=12u⋅(2x)=x1+x2.y'(x)=y'(u)\cdot u'(x)=\frac1{2\sqrt u}\cdot(2x)=\frac{x}{\sqrt{1+x^2}}.

即 (1+x2)′=(1+x2)′21+x2=x1+x2\left(\sqrt{1+x^2}\right)'=\dfrac{(1+x^2)'}{2\sqrt{1+x^2}}=\dfrac{x}{\sqrt{1+x^2}}.

由归纳原理,可以推出多次复合的函数的导数公式:

[f(g(h(x)))]′=f′(g(h(x)))⋅g′(h(x))⋅h′(x).[f(g(h(x)))]'=f'(g(h(x)))\cdot g'(h(x))\cdot h'(x).
例 3

求 y=f(x)=ln⁡cos⁡xy=f(x)=\ln\cos\sqrt x 的导数.

例 3 解答

设 y(u)=ln⁡uy(u)=\ln u,u(v)=cos⁡vu(v)=\cos v,v(x)=xv(x)=\sqrt x,则

y′(u)=1u,u′(v)=−sin⁡v,v′(x)=12x,y'(u)=\frac1u,\quad u'(v)=-\sin v,\quad v'(x)=\frac{1}{2\sqrt x},

故

y′(x)=y′(u)⋅u′(v)⋅v′(x)=1cos⁡x⋅(−sin⁡x)⋅12x=−tan⁡x2x.y'(x)=y'(u)\cdot u'(v)\cdot v'(x)=\frac1{\cos\sqrt x}\cdot(-\sin\sqrt x)\cdot\frac1{2\sqrt x}=-\frac{\tan\sqrt x}{2\sqrt x}.

*Leibniz 记号:y=f(x)y=f(x) 的导函数 y′=f′(x)y'=f'(x) 记为 dydx\dfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x},x0x_0 处的导数 f′(x0)f'(x_0) 记为 dydx∣x=x0\dfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\bigg\vert_{x=x_0}.

用 Leibniz 记号可以方便地表示复合函数的求导法则:设 y=y(u)y=y(u),u=u(x)u=u(x),则

dydx=dydududx. \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}u}\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}x}.

设 y=y(u)y=y(u),u=u(v)u=u(v),v=v(x)v=v(x),则

dydx=dydududvdvdx. \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}u}\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}v}\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}x}.