http://www.baike.com/wiki/%E5%BE%AE%E5%88%86
http://www.cnblogs.com/hustlzp/archive/2011/09/11/the-framework-of-the-calculus.html
以直代曲,以切線代曲線。
1. 微分由求給定曲線在給定點的切線問題開始的,求切線就是求導,就是得到Δy/Δx的極端值, 算出這個商的最終比。這個最開始研究的時候需要一點點計算出來,首先需要估計出Δy的值,Δy=f(x0+Δx)-f(x0)
要得到Δy/Δx的極端值,假設它有值,值等於A,那么Δy長什么樣呢? Δy≈A×Δx,Δy=A×Δx+ο(Δx), ο(Δx)=Δy-A×Δxο(Δx),ο(Δx)大小怎么樣呢?它應該是相對於Δy忽略不計的小,很小。伴隨着Δx,Δy越來越小,ο(Δx)應該是越來越可以忽略掉了。
ο(Δx)是相比Δx的無窮小量,二者的比值ο(Δx)/Δx會無限接近0,而不是一個絕對值大於0的數,比如ο(Δx)是這樣的(Δx)², (Δx)³, ln(Δx),
最精彩的地方是我們把ο(Δx)去掉,正如y=x²,在x=2處的切線,Δx=0.000000000000000001, Δy=4Δx+(Δx)²=0.000000000000000004000000000000000001≈0.000000000000000004, 因為0.000000000000000000000000000000000001相對於Δx或者Δy(Δy如果恆為0,在這里不適用)實在是太小了,對一座大山增刪一兩粒灰塵根本無損他的高度,灰塵相對於大山就是ο(Δx)相對於Δx。
2. 由求切線引起
若想可導,Δy得長什么樣呢? Δy應該粗略可以表示成Δx的正比例,Δy≈A×Δx,Δy=A×Δx+ο(Δx),
或者說Δy得長什么樣,怎么猜到是Δx線性表示,可能是由大量的計算得到的經驗吧。
3. 也可能是已經有了切線了,由於數值計算的需要,要研究Δy的變化情況,再看看Δy的估計?
4. 微分是在x0點的最佳線性近似。注意,還有其他的線性近似,但是都不如微分近似程度高。哈哈哈。在近似計算的求微分的過程中,主要工作是把A×Δx獨立出來,剩下的ο(Δx)放一起。獨立出來的A×Δx部分,為了以后計算方便,把系數A整理到表里,下次再用的時候直接拿來就用,起個名字就叫微分主要系數吧。
4.1 但是如果不能做這種線性近似,也就是不可微,那就太打擊人了。而事實上呢,絕大部分的連續函數都是不可微的,但是我們平常看到的函數絕大多數是可導的,萬幸啊。
從導數到微分
和導數緊密關聯的是微分的概念。從上面的論述中我們知道,為解決 “變化率” 問題,催化了導數概念的誕生。那么又是什么樣的問題,導致了微分的誕生?
在很多具體問題中,我們 往往需要計算函數的改變量:

例如,求內半徑為 r,厚度為
的球殼的體積,我們知道球體積公式為
。當半徑從 r 增加到 r +
時,球的體積增加了

這里的函數
很簡單,所以求
的表達式也不算太麻煩(三次式展開,再相減就行)。但是,有些函數非常復雜,此時求
就不那么容易計算了。舉個例子,現有函數
,這時候你怎么求
?
嘿嘿,數學家們也考慮到這個問題了,有些東西硬算算不動,那就用 “近似” 唄!用一個相對簡單的式子去近似那些無法直接計算的東西,不就 OK 了嘛!(雖然近似或多或少會造成誤差,但是如果誤差極小,趨近於 0,那就無所謂了)
此時,“微分” 的概念就快要 “粉墨登場” 了!
我們還是從導數的定義式出發:
![]()
若令:

那么顯然有
,即當
時,
。對上式進行變形,有:

也就是說,給自變量 x 一個改變量
時,函數 y 獲得的改變量
由兩部分組成:一部分是
(線性部分);另一部分就是
(非線性部分)。
當
時,
,所以
是一個比
更快地趨向於零的一個量。也就是說,當
很小時,第一部分
在
中所占的比例要比第二部分
大得多。因此,可以把第二部分忽略不計。總的來說就是:當
很小時,非線性部分會更快地趨向於 0,於是我們可以使用線性部分
來近似
。
呵呵,我們可以為這個線性部分
取一個名字 —— 微分,並用如下的符號表示:

特別地,取 y = x,則有
,即
(此式表明:自變量的增量等於自變量的微分),因此上式可以改寫為:

就這樣,我們從導數的概念推出了微分的概念,微分描述了 當自變量 x 的改變 dx 足夠小時,函數值 y 的改變 dy 可以用 f'(x)dx 來近似。你可能覺得,這有什么了不起的。不就是一個近似嘛。但是請仔細觀察,當 x 是某個具體值的時候,f'(x) 可是一個常數!就是說 dy 和 dx 是成正比例的!進一步,就是說在 [x, x+
] 區間內(
足夠小),y = f(x) 可以近似看成一條直線段!而且
越小,這種近似越精確!這樣一來,我們就可以用線性的方法來處理非線性的問題了,相當方便!
如果對上面的話還不太理解,看下面一張圖,極其經典,說明了微分的幾何意義:

P 點和 M 點都在曲線上,其橫坐標分別為 x 和 x+
。
過 P 點做曲線切線交 OM 為 N,切線斜率即是導數 f'(x),那么 dy = f'(x) ▪ dx 則表示線段 ON。當
時,
可以忽略不計,此時我們就可以用直線段 PN 來近似代替曲線段 PM 了。
微分學綜述
微分學,是研究函數局部特性的學科。導數和微分,是微分學中最重要的兩個概念。
我們可以求出函數的導數 f'(x),它代表着函數在某點上因變量 y 相對於自變量 x 的變化率(從幾何上來說,即是此點的切線的斜率);進一步,我們導出了微分的概念,它可以將復雜函數在局部范圍內近似成線性函數,斜率即為此點的導數。這種線性近似,使得對復雜函數的研究在局部上得到簡化,為后續的研究工作提供了強有力的支持。
增量無限趨近於零,割線無限趨近於切線,曲線無限趨近於直線,從而以直代曲,以線性化的方法解決非線性問題,這就是微分學理論的精髓所在。
