04 解鏈式法則和乘積法則


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我們現在上一章節中,學習了冪次函數求導法和正弦函數求導。並且使用圖像法更加直觀的理解了這些運算過程。

當時想用這些求導公式在現實生活中運用,我們需要對這些公式進行混合、組合、調整。所以我們學習一下更復雜的組合函數如何求導。

為了避免死記硬背,我們還是會使用一些像圖像法這樣更加直觀的方式來理解這些公式。

上面包括了最常見的三種函數組合求導方式。函數相加求導,函數相乘求導,和復合函數求導。

了解了這三種求導方式,我們就能運用這三種公式將將一個復雜的組合一層一層的剝開,然后最終求得結果。

加法法則相對簡單,我們先從這個法則開始:

現在我們將sin(x)和x²的函數曲線繪制出】那么,我們在坐標系中得到兩個函數曲線,讓后將每一個點上的值都相加我們會得到一個新的函數曲線就是f(x)=sin(x)+x²的函數曲線:

我們先取一個函數中一個點的值比如0.5,我們得到f(0.5)=sin(0.5)+0.5²

我們給x一個微小的變化值:dx那么df=d(sin(x))+d(x²)

df/dx=d(sin(x))/dx+d(x²)/dx:

由此我們可以清晰的看到求導的加法法則:

 

不過乘積法則可不是是類似規律d(f(x)*g(x))≠(dg/dx)*(dh/dx)

我們還是以sin(x)*x²為例子:

 

這個新得到的乘積函數曲線就沒法像相加那么直觀的找到規律了。

不過,面對兩個數字相乘,在幾何學上的意義正好是求矩形面積,使用這個方法,幾何求解發也許能更加直觀的理解乘積法則。

我們想象一個矩形,他的一個邊隨着x的變化呈現出正弦函數的變化規則,另外一個邊則呈現出二次冪方程的變化規則:

我們可以看到,f(x)隨着x值的變化而產生的變化,與這個矩形面積隨着x值的變化而產生的變化值是一致的。

不過,當x產生變化的時候到底發生了什么,好像還是不是很好理解。

我們在旁邊加上一個標尺,標出隨着x的變化,矩形形狀的變化也許能更加直觀一些當,值發生變化時:

總之隨着x的增加,一個邊像正弦函數一樣,在1到-1之間來回擺動。另外一個邊則快速的以自身平方的速度增加。

那么當x的值產生一個微小的變化時,這個矩形的面積也隨之產生了微小的變化:

嗯,還是那個熟悉的味道。

圖中右側橫着的綠色方塊它的寬度就是sin(x)的值。高度是x²隨着x的變化而產生的變化,也就是d(x²)。這個方塊的面積就是sin(x)*d(x²)

圖中右側豎着的綠色方塊它的寬高就是x²的值。高度是sin(x)隨着x的變化而產生的變化,也就是d(sin(x))。這個方塊的面積就是x²*d(sin(x))

而最右側的小方塊則再一次的被忽略。

那么總的面積變化就是sin(x)*d(x²)+x²*d(sin(x)),我們知道面積與f(x)是相等的則

df=sin(x)*d(x²)+x²*d(sin(x))

所以我們得到了乘積公式:

 

現在再來看復合函數。

 

我們拿f(x)=sin(x²)這個符合函數為例子。 

這回之前的兩種方式都無法直觀的用在這個函數上了。

將f(x)拆解一下。

f(x)=g(h(x)) 

h(x)=x²

g(x)=sin(x)

然后我們換一種可視化的方式來分析這個問題。

第一條線代表的是x的變化。

第二條線則是由對應的h(x)函數值。

第三條線是對應的f(x)函數值。

當x在原來的基礎上產生了微小變化dx的時候。

在第二條線上產生的變化dh=2x*dx

這個變化再傳導到第三條線,df=d(sin(h))=cos(h)*dh=cos(h)*2xdx=cos(x²)*2x*dx

df/dx=cos(x²)*2x

所以通過鏈式法則,我們看到,

dg(h(x))/dx=dh(x)*d(g(h(x)))

dg(h(x))/dx=(dg/dh)*(dh/dx)=dg/dx=dg/dx

 


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