<高等数学>AM2 导数与微分

本文最后更新于:2023年10月27日 中午

AM2 导数与微分

AM2.1 导数

若 y=f(x)y=f(x) 在 x0x_0 的邻域内有定义,在 x0x_0 处取 Δx\Delta x,使 Δy=f(x0+Δx)−f(x)\Delta y=f(x_0+\Delta x)-f(x)

若 lim⁡Δx→0ΔyΔx{\lim_{\Delta x\rarr 0}\\ }\dfrac{\Delta y}{\Delta x} 存在,则称函数 f(x)f(x) 在 x0x_0 处 可导,称 lim⁡Δx→0ΔyΔx{\lim_{\Delta x\rarr 0}\\ }\dfrac{\Delta y}{\Delta x} 为 导数值

表示方法有:f′(x0)y′∣x=x0dydx⁡∣x=x0df(x)dx⁡∣x=x0f'(x_0)\quad y'\big|_{x=x_0}\quad \dfrac{dy}{\operatorname{dx} }\big|_{x=x_0}\quad \dfrac{df(x)}{\operatorname{dx} }\big|_{x=x_0}

lim⁡Δx→0+f(x0+Δx)−f(x)Δx{\lim_{\Delta x\rarr 0^+}\\ }\dfrac{f(x_0+\Delta x)-f(x)}{\Delta x} 称为 左导数,lim⁡Δx→0−f(x0+Δx)−f(x)Δx{\lim_{\Delta x\rarr 0^-}\\ }\dfrac{f(x_0+\Delta x)-f(x)}{\Delta x} 称为 右导数

可见,函数在某处可导的充要条件是:函数在该处左、右导数存在且相等

可导必定连续(连续不一定可导)。

求导法则

u,vu,v 是函数,则

  • (u+v)′=u′+v′(u+v)'=u'+v'
  • (u−v)′=u′−v′(u-v)'=u'-v'
  • (uv)′=u′v+uv′(uv)'=u'v+uv'
  • (uv)′=u′v−uv′v2(\dfrac{u}{v})'=\dfrac{u'v-uv'}{v^2}

若 x=f(y)x=f(y) 在 IyI_y 内单调可导,且 f′(y)≠0f'(y)\ne 0,则其反函数有 [f−1(x)]′=1f′(y)[f^{-1}(x)]'=\dfrac{1}{f'(y)}

复合函数的求导(链式法则)

若 u=g(x)u=g(x) 可导,y=f(u)y=f(u) 可导,则 y=f(g(x))y=f(g(x)) 可导,其导数 dydx⁡=f′(u)g′(x)\dfrac{dy}{\operatorname{dx} }=f'(u)g'(x)

常用的求导公式

原函数 导函数
y=cy=c y′=0y'=0
y=axy=a^x y′=axln⁡ay'=a^x\ln a
y=exy=e^x y=exy=e^x
y=xny=x^n y′=nxn−1y'=nx^{n-1}
y=log⁡axy=\log_a x y′=1xln⁡ay'=\dfrac{1}{x\ln a}
y=ln⁡xy=\ln x y′=1xy'=\dfrac{1}{x}
y=sin⁡xy=\sin x y′=cos⁡sy'=\cos s
y=cos⁡xy=\cos x y′=−sin⁡xy'=-\sin x
y=tan⁡xy=\tan x y′=1cos⁡2x=sec⁡2xy'=\dfrac{1}{\cos^2 x}=\sec^2x
y=cot⁡xy=\cot x y′=−1sin⁡2x=−csc⁡2xy'=-\dfrac{1}{\sin^2 x}=-\csc^2 x
y=sec⁡xy=\sec x y′=sin⁡xcos⁡2x=sec⁡xtan⁡xy'=\dfrac{\sin x}{\cos^2 x}=\sec x\tan x
y=csc⁡xy=\csc x y′=−cos⁡xsin⁡2x=−csc⁡xcot⁡xy'=-\dfrac{\cos x}{\sin^2 x}=-\csc x\cot x
y=arcsin⁡xy=\arcsin x y′=11−x2y'=\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}\\}
y=arccos⁡xy=\arccos x y′=−11−x2y'=-\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}\\}
y=arctan⁡xy=\arctan x y′=11+x2y'=\dfrac{1}{1+x^2}
y=arccot⁡xy=\operatorname{arccot} x y′=−11+x2y'=-\dfrac{1}{1+x^2}

高阶导数

一阶导数的导数称为二阶导数。二阶和二阶以上的导数统称为高阶导数。

二阶导数可表示为 y′′y''、ddydx⁡dx⁡\dfrac{d\frac{dy}{\operatorname{dx} } }{\operatorname{dx} }、d2ydx⁡2\dfrac{d^2y}{\operatorname{dx}^2}。nn 阶导数也可以直接表示为 y(n)y^{(n)}

此时的求导法则有:

  • (u+v)(n)=u(n)+v(n)(u+v)^{(n)}=u^{(n)}+v^{(n)}
  • (uv)n=∑k=0nCnku(n−k)v(k)=Cn0u(n)v+Cn1u(n−1)v′+…+Cnnuv(n)(uv)^{n}={\sum^n_{k=0}\\ }C^k_nu^{(n-k)}v^{(k)}=C^0_nu^{(n)}v+C^1_nu^{(n-1)}v'+\ldots+C^n_nuv^{(n)}

隐函数求导

若函数表示为 f(x,y)=0f(x,y)=0 的形式,则称其为 隐函数

要求解 y′y',只需利用 f′(x,y)=0′=0f'(x,y)=0'=0

参数方程求导

若有 tt 为参数的参数方程 {x=ϕ(t)y=ψ(t)\begin{cases}x=\phi(t)\\y=\psi(t)\end{cases} 确定 yy 是 xx 的函数,则其导函数 dydx⁡=dydtdx⁡dt\dfrac{dy}{\operatorname{dx} }=\dfrac{\dfrac{dy}{dt} }{\dfrac{\operatorname{dx} }{dt} }

其高阶导数 d2ydx⁡2=(ddydx⁡)dx⁡=(ddydx⁡)dtdx⁡dt\dfrac{d^2y}{\operatorname{dx}^2}=\dfrac{(d\dfrac{dy}{\operatorname{dx} })}{\operatorname{dx} }=\dfrac{\dfrac{(d\frac{dy}{\operatorname{dx} })}{dt} }{\dfrac{\operatorname{dx} }{dt} }

AM2.2 微分

有函数 y=f(x)y=f(x),自变量在 x0x_0 处的改变量为 Δx\Delta x,函数改变量为 Δy\Delta y

若有 Δy=AΔx+o(Δx)\Delta y=A\Delta x+o(\Delta x),其中 AA 是与 Δx\Delta x 无关的函数,o(Δx)o(\Delta x) 是 Δx\Delta x 的高阶无穷小,则称函数 f(x)f(x) 在 x0x_0 处 可微。此时 dy=AΔxdy=A\Delta x 称为 f(x)f(x) 在 x0x_0 处的 微分。记为 dy∣x=x0dy\big|_{x=x_0}

显然 ΔyΔx=A+o(x)Δx\dfrac{\Delta y}{\Delta x}=A+\dfrac{o(x)}{\Delta x},故 lim⁡Δx→0ΔyΔx=A=f′(x0){\lim_{\Delta x\rarr 0} \\ }\dfrac{\Delta y}{\Delta x}=A=f'(x_0)。也就是说,dy=f′(x)dx⁡dy=f'(x)\operatorname{dx}

可见 f(x)f(x) 在 x0x_0 处可微的充要条件是 f(x)f(x) 在 x0x_0 处可导

在 x→0x\rarr 0 时,有以下公式成立:

  • (1+x)α≈1+αx(1+x)^\alpha\approx1+\alpha x
  • sin⁡x≈x\sin x\approx x
  • tan⁡x≈x\tan x\approx x
  • ex≈1+xe^x\approx 1+x
  • ln⁡(1+x)≈x\ln(1+x)\approx x

#微分中值定理

费马引理

设函数 f(x)f(x) 在 x0x_0 的邻域 u(x0)u(x_0) 有定义且在 x0x_0 处可导

若对于 ∀x∈u(x0)\forall x\in u(x_0) 都有 f(x)≤f(x0)f(x)\le f(x_0)(或 f(x)≥f(x0)f(x)\ge f(x_0)),则 f′(x0)=0f'(x_0)=0

导数为 00 的点称为 驻点(稳定点、临界点)。驻点可能是极值点,也可能不是极值点。

证明过程

罗尔定理

若 f(x)f(x) 满足以下条件:

  • f(x)f(x) 在 [a,b][a,b] 连续
  • f(x)f(x) 在 (a,b)(a,b) 可导
  • f(a)=f(b)f(a)=f(b)

则至少 ∃ξ∈(a,b)\exist\xi\in(a,b) 使得 f′(ξ)=0f'(\xi)=0

拉格朗日中值定理

若 f(x)f(x) 满足以下条件:

  • f(x)f(x) 在 [a,b][a,b] 连续
  • f(x)f(x) 在 (a,b)(a,b) 可导

则至少 ∃ξ∈(a,b)\exist\xi\in(a,b) 使得 f(b)−f(a)=f′(ξ)(b−a)f(b)-f(a)=f'(\xi)(b-a)

引理:若 f(x)f(x) 在区间 II 上连续、可导,且导数恒为 00,则 f(x)=cf(x)=c,其中 cc 是常数

柯西中值定理

若 f(x)f(x) 与 F(x)F(x) 满足以下条件:

  • f(x)f(x) 与 F(x)F(x) 在 [a,b][a,b] 连续
  • f(x)f(x) 与 F(x)F(x) 在 (a,b)(a,b) 可导
  • ∀x∈(a,b)\forall x\in(a,b) 有 F′(X)≠0F'(X)\ne 0

则至少 ∃ξ∈(a,b)\exist\xi\in(a,b) 使得 f(b)−f(a)F(b)−F(a)=f′(ξ)F′(ξ)\dfrac{f(b)-f(a)}{F(b)-F(a)}=\dfrac{f'(\xi)}{F'(\xi)}

洛必达法则

若 f(x)f(x) 与 F(x)F(x) 满足以下条件:

  • x→ax\rarr a 时,f(x)→0f(x)\rarr 0 且 F(x)→0F(x)\rarr 0
  • 在 aa 的去心邻域内 f′(x)f'(x) 与 F′(x)F'(x) 存在,且 F′(x)≠0F'(x)\ne 0
  • lim⁡x→af′(x)F′(x){\lim_{x\rarr a}\\}\dfrac{f'(x)}{F'(x)} 存在或为无穷大

则 lim⁡x→af(x)F(x)=lim⁡x→af′(x)F′(x){\lim_{x\rarr a}\\}\dfrac{f(x)}{F(x)}={\lim_{x\rarr a}\\}\dfrac{f'(x)}{F'(x)}。此外,x→∞x\rarr \infin 时结论相同。

要注意,若 lim⁡x→af′(x)F′(x){\lim_{x\rarr a}\\}\dfrac{f'(x)}{F'(x)} 不存在,则 lim⁡x→af(x)F(x){\lim_{x\rarr a}\\}\dfrac{f(x)}{F(x)} 未知

证明过程

泰勒公式

若 f(x)f(x) 在开区间 (a,b)(a,b) 上有 n+1n+1 阶导数,x0∈(a,b)x_0\in(a,b),则对于 ∀x∈(a,b)\forall x\in(a,b) 有:

f(x)=f(x0)+f′(x0)1!(x−x0)+f′′(x0)2!(x−x0)2+…+f(n)(x0)n!(x−x0)n+Rn(x)f(x)=f(x_0)+\dfrac{f'(x_0)}{1!}(x-x_0)+\dfrac{f''(x_0)}{2!}(x-x_0)^2+\ldots+\dfrac{f^{(n)}(x_0)}{n!}(x-x_0)^n+R_n(x)

其中余项 Rn(X)=o((X−X0)n)R_n(X)=o((X-X_0)^n)。或者,也能写成 Rn(x)=f(n+1)(ξ)(n+1)!(x−x0)n+1R_n(x)=\dfrac{f^{(n+1)}(\xi)}{(n+1)!}(x-x_0)^{n+1},其中 ξ∈(x0,x)\xi\in(x_0,x)

取 x0=0x_0=0 即得到麦克劳林公式:

f(x)=f(0)+f′(0)1!x+f′′(0)2!x2+…+f(n)(0)n!xn+f(n+1)(θx)(n+1)!xn+1f(x)=f(0)+\dfrac{f'(0)}{1!}x+\dfrac{f''(0)}{2!}x^2+\ldots+\dfrac{f^{(n)}(0)}{n!}x^n+\dfrac{f^{(n+1)}(\theta x)}{(n+1)!}x^{n+1},其中 θ∈(0,1)\theta\in(0,1)

傅里叶级数

若有周期为 2l2l 的函数 f(x)f(x),则其傅里叶级数为 f(x)∼a02+∑n=1∞(ancos⁡nπxl+bnsin⁡nπxl)f(x)\sim \dfrac{a_0}{2}+{\sum\limits_{n=1}^\infin}(a_n\cos\dfrac{n\pi x}{l}+b_n\sin\dfrac{n\pi x}{l})

其中系数 ana_n 和 bnb_n 为 {an=1l∫−llf(x)cos⁡nπxldxbn=1l∫−llf(x)sin⁡nπxld\begin{cases}a_n=\dfrac{1}{l}{\int_{-l}^l\\}f(x)\cos\dfrac{n\pi x}{l}dx\\b_n=\dfrac{1}{l}{\int_{-l}^l\\}f(x)\sin\dfrac{n\pi x}{l}d\end{cases}

AM2.3 函数的单调性

若函数 f(x)f(x) 在区间 [a,b][a,b] 内连续,且在区间 (a,b)(a,b) 内可导

  • 若恒有 f′(x)≥0f'(x)\ge 0,且 f′(x)=0f'(x)=0 仅在有限个点上成立,则称其在区间内 单调递增
  • 若恒有 f′(x)≤0f'(x)\le 0,且 f′(x)=0f'(x)=0 仅在有限个点上成立,则称其在区间内 单调递减

#函数的凹凸性

若函数 f(x)f(x) 在区间 (a,b)(a,b) 内连续,且对于任意 x1,x2∈(a,b)x_1,x_2\in(a,b) 有

f(x1+x22)<f(x1)+f(x2)2f(\dfrac{x_1+x_2}{2})<\dfrac{f(x_1)+f(x_2)}{2}

则称其在区间 (a,b)(a,b) 中是 凸 的。反之称其为 凹 的。

可见若 f(x)f(x) 是凸的,则 −f(x)-f(x) 是凹的

若函数 f(x)f(x) 的二阶导数存在,则

  • 若恒有 f′′(x)>0f''(x)>0,则 f(x)f(x) 在区间内是凹的
  • 若恒有 f′′(x)<0f''(x)<0,则 f(x)f(x) 在区间内是凸的

若函数 f(x)f(x) 经过点 (x0,f(x0))(x_0,f(x_0)) 时改变了凹凸性,则称点 (x0,f(x0))(x_0,f(x_0)) 为 f(x)f(x) 的一个 拐点。

若点 (x0,f(x0))(x_0,f(x_0)) 为曲线 f(x)f(x) 的拐点,则其 f′′(x0)=0f''(x_0)=0 或 f′′(x)f''(x) 不存在

#极值

(必要条件)若 f(x)f(x) 在 x0x_0 处可导,且在 x0x_0 处取极值,则 f′(x0)=0f'(x_0)=0

(充分条件)若 f(x)f(x) 在 x0x_0 处连续,在 x0x_0 邻域 U(x0)U(x_0) 内可导,且

  • ∀x∈(x0−δ,x0)\forall x\in(x_0-\delta,x_0) 都有 f′(x)>0f'(x)>0,且 ∀x∈(x0,x0+δ)\forall x\in(x_0,x_0+\delta) 都有 f′(x)<0f'(x)<0,则在 x0x_0 处取到极大值
  • ∀x∈(x0−δ,x0)\forall x\in(x_0-\delta,x_0) 都有 f′(x)<0f'(x)<0,且 ∀x∈(x0,x0+δ)\forall x\in(x_0,x_0+\delta) 都有 f′(x)>0f'(x)>0,则在 x0x_0 处取到极小值
  • 若 ∀x∈U(x0)\forall x\in U(x_0),f′(x)f'(x) 不变号,则 x0x_0 不是极值

(充分条件)若 f(x)f(x) 在 x0x_0 处二阶可导,有 f′(x0)=0f'(x_0)=0 和 f′′(x0)≠0f''(x_0)\ne 0,且

  • f′′(x0)<0f''(x_0)<0,则在 x0x_0 处取到极大值
  • f′′(x0)>0f''(x_0)>0,则在 x0x_0 处取到极小值

#曲率

若曲线 yy 在点 MM 处切线与 xx 轴的夹角为 α\alpha,在点 M′=M+ΔsM'=M+\Delta s 处切线与 xx 轴的夹角为 α+Δα\alpha+\Delta\alpha

则曲线在 MM 到 M′M' 的平均曲率 k‾=∣ΔαΔs∣\overline{k}=\begin{vmatrix}\dfrac{\Delta\alpha}{\Delta s}\end{vmatrix}

曲线在 MM 处的曲率 k=lim⁡Δs→0∣ΔαΔs∣=∣ΔαΔs∣k={\lim_{\Delta s\rarr 0}\\}\begin{vmatrix}\dfrac{\Delta\alpha}{\Delta s}\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}\dfrac{\Delta\alpha}{\Delta s}\end{vmatrix}

直角坐标系下,若曲线 y=f(x)y=f(x) 且二阶导数存在,则曲率 K=∣∣y′′∣[1+(y′)2]32∣K=\begin{vmatrix}\dfrac{\begin{vmatrix}y''\end{vmatrix}}{[1+(y')^2]^{\frac{3}{2} } }\end{vmatrix}

证明过程

直角坐标系下,若曲线为 {y=y(t)x=x(t)\begin{cases}y=y(t)\\x=x(t)\end{cases} 且二阶导数存在,则曲率 K=∣x′y′′−x′′y′∣[(x′)2+(y′)2]32K=\dfrac{\begin{vmatrix}x'y''-x''y'\end{vmatrix}}{[(x')^2+(y')^2]^{\frac{3}{2} } }

证明过程


<高等数学>AM2 导数与微分
https://i-melody.github.io/2023/05/13/高等数学/2 导数和微分/
作者
Melody
发布于
2023年5月13日
许可协议