單變量微積分筆記1——導數1(導數的基本概念)


 什么是導數

  導數是高數中的重要概念,被應用於多種學科。

  從物理意義上講,導數就是求解變化率的問題;從幾何意義上講,導數就是求函數在某一點上的切線的斜率。

  我們熟知的速度公式:v = s/t,這求解的是平均速度,實際上往往需要知道瞬時速度:

  當t趨近於t0,即t-t0趨近於0時,得到的就是順時速度。設Δt=t-t0,s是t的函數s=f(t),瞬時速度用數學表示就是:

  從幾何意義上講,導數是函數在某一點處的切線的斜率:

 

   直線a與曲線相切於點Q,直線b與曲線相割於點Q和點P。b的斜率是k=(y-y0)/(x-x0),當b以Q為軸心沿着曲線旋轉時,鉉長|PQ|趨近於0,即x→x0時,極限存在:

  由上述兩個問題可以看出,變化率和切線的問題都可以歸結為下面的公式:

  令Δx = x-x0, Δy = y - y0 = f(x) – f(x0) = f(x0 + Δx) - f(x0),上面的公式可以寫成:

  由此得出導數的概念,設函數y=f(x)在點x0的某個鄰域內有定義,當自變量x在x0處取得增量Δx,且x0+Δx仍在該鄰域內時,y取得增量Δy;如果Δy與Δx之比在Δx→0時存在極限,則稱函數y=f(x)在點x0處可導,並稱這個極限為函數y=f(x)在點x0處的導數,記作f’(x0) :

  也記作:

    簡寫為:

1/x求導

  根據導數公式,代入f(x) = 1/x

    這就OK了,所以說導數很簡單,因為它僅有一個公式。但沒完,因為上式沒有任何意義,僅僅是看起來更復雜了。如果我們直接觀察導數公式,對於所有求導,當Δx→0時,分母都為0,所以必須將導數進一步簡化。

   “求f(x)的導數”或“對f(x)求導”有兩種解釋,一種是求f(x)的導函數,此時的結果是一個函數;另一種是求f(x)在定義域某一點的導數,此時的結果是將該點的值代入導函數,最終得到一個具體的數值。究竟是哪種解釋需要根據上下文判斷,通常都很直白,不必太過糾結。

求切線所在三角形的面積

  直線MN是曲線1/x的切線,切點是(x0,y0),求S△MON

 

   S△MON = 1/2(OM × ON),已知條件是切點(x0,y0),需要求解的未知條件是OM和ON。

  直線MN的函數是y=kx+b,1/x在(x0,y0)的導數是MN的斜率,即k = -1/x02

 

  設M點的坐標是(x,0),代入y=kx+b:

   同理,ON=2y0

 

sin和cos求導

   先來看兩個函數的曲線:

 

    sin0°= 0,sin90°= sin(π/2) = 1

  求導時需要用到幾個公式:

    1、2不解釋,3、4后面會給出證明。

sin' x = ?

cos' x = ?

為什么會有公式3、4

  公式3需要從幾何意義上證明。

  上圖是一個單位圓,將Δx用θ替換。由於單位圓的特性使半徑r=1,弧長MN=θ。

  公式3:

  當θ趨近於0時,PN比弧長MN更快地趨近於0,所以公式3成立。

  公式4的道理與公式3類似。sinθ=MP/OM=MP,當θ趨近於0時,MP越來越趨近於MN(二者越來越相等)。

冪函數求導

   總是用極限的方式求導太過麻煩,幸而人們總結出了一系列求導公式。其中冪函數求導就可以直接使用公式:

函數可導的條件

  如果一個函數的定義域為全體實數,即函數在其上都有定義,那么該函數是不是在定義域上處處可導呢?答案是否定的。函數在定義域中一點可導需要一定的條件:函數在該點的左右兩側導數都存在且相等。這實際上是按照極限存在的一個充要條件(極限存在,它的左右極限存在且相等)推導而來。

  簡單來說,可導的函數一定連續;連續的函數不一定可導,不連續的函數一定不可導。

 

  下面是兩個不可導的例子:

f(x)=x1/3

  f(x)=x1/3,f’(x)=x-2/3/3在x=0處分母為0,所以在x=0處不可導。實際上該函數在x=0處的切線是y軸,導數趨近於無窮,不符合導數的定義,導數代表變化率,變化率一定是定值,不會有趨於無窮的變化率。

  再來看另一個:

 f(x)=|x|

  幾何上,切線指的是一條剛好觸碰到曲線上某一點的直線。更准確地說,當切線經過曲線上的某點(即切點)時,切線的方向與曲線上該點的方向是相同的。f(x)=|x|在x=0點時,曲線沒有唯一方向,即在x=0點沒有切線,所以該函數在x=0點不可導。

 


   出處:微信公眾號 "我是8位的"

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