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微积分-CH3-微分

微积分-CH3-微分,待补充摘要。

May 2, 2026 修考 7 min read

第二章:微积分之导数篇

1. 导数的定义与几何意义

1.1 从直线到曲线

  • 直线的斜率: k=y2y1x2x1k = \frac{y_2 - y_1}{x_2 - x_1},反映了 yyxx 变化的快慢。
  • 曲线的切线: 采用“以直代曲”的思想。在曲线上找极度接近的两点,其割线斜率的极限即为该点的切线斜率。

1.2 导数的定义

导数的本质是一个瞬时变化率

f(a)=limΔx0f(a+Δx)f(a)Δx=dydxf'(a) = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{f(a+\Delta x) - f(a)}{\Delta x} = \frac{dy}{dx}

  • 物理意义: 瞬时速度是位移在某一时刻的平均速度极限。
  • 本质: 导数描述的是一个微小的变化量。

2. 导数的运算规则

2.1 复合函数求导(链式法则 Chain Rule)

对于复合函数 y=f(g(x))y = f(g(x)),引入中间变量 u=g(x)u = g(x)

dydx=dydududx\frac{dy}{dx} = \frac{dy}{du} \cdot \frac{du}{dx}

例题:y=sin(x2)y = \sin(x^2) 的导数。

  1. u=x2y=sinuu = x^2 \Rightarrow y = \sin u
  2. dydu=cosu\frac{dy}{du} = \cos ududx=2x\frac{du}{dx} = 2x
  3. y=cos(x2)2xy' = \cos(x^2) \cdot 2x

2.2 常用导数表(速查)

  • (C)=0(C)' = 0
  • (xα)=αxα1(x^\alpha)' = \alpha x^{\alpha-1}
  • (sinx)=cosx(\sin x)' = \cos x
  • (cosx)=sinx(\cos x)' = -\sin x
  • (lnx)=1x(\ln x)' = \frac{1}{x}
  • (ex)=ex(e^x)' = e^x
  • (arctanx)=11+x2(\arctan x)' = \frac{1}{1+x^2}

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3. 判断函数的可导性

3.1 定义法

判断函数在某点是否可导,必须判断极限 limΔx0f(a+Δx)f(a)Δx\lim_{\Delta x \to 0} \frac{f(a+\Delta x) - f(a)}{\Delta x} 是否存在且有限。

例题: 判断 f(x)={x2sin1xx00x=0f(x) = \begin{cases} x^2 \sin \frac{1}{x} & x \neq 0 \\ 0 & x = 0 \end{cases}x=0x=0 处的可导性。

limΔx0f(0+Δx)f(0)Δx=limΔx0Δx2sin1Δx0Δx=limΔx0Δxsin1Δx\lim_{\Delta x \to 0} \frac{f(0+\Delta x) - f(0)}{\Delta x} = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{\Delta x^2 \sin \frac{1}{\Delta x} - 0}{\Delta x} = \lim_{\Delta x \to 0} \Delta x \sin \frac{1}{\Delta x}

由于 sin1Δx\sin \frac{1}{\Delta x} 是有界函数,而 Δx0\Delta x \to 0,根据夹逼准则,极限为 00。因此 f(x)f(x)00 处可导且 f(0)=0f'(0)=0

注意: 在处理分界点导数时,一定要用极限定义,不能直接套用求导公式再带入,因为导函数在分界点可能不连续。

3.2 可导与连续的关系(修正)

  • 可导必连续: 如果 f(x)f(x) 在某点可导,那么它在该点一定连续。
  • 连续不一定可导: 例如 y=xy = |x|x=0x=0 处连续但不可导(尖点)。

4. 导数应用:线性近似与极限求解

4.1 线性近似(以直代曲)

Δx\Delta x 极小时,f(a+Δx)f(a)+f(a)Δxf(a+\Delta x) \approx f(a) + f'(a) \cdot \Delta x

例题: 已知 f(x)=xf(x) = \sqrt{x},求 4.01\sqrt{4.01} 的近似值。

  1. 选取基准点 a=4a=4,则 f(4)=2f(4)=2
  2. 求导:f(x)=12xf(4)=14=0.25f'(x) = \frac{1}{2\sqrt{x}} \Rightarrow f'(4) = \frac{1}{4} = 0.25
  3. Δx=0.01\Delta x = 0.01
  4. f(4.01)2+0.25×0.01=2.0025f(4.01) \approx 2 + 0.25 \times 0.01 = 2.0025

4.2 利用导数定义求极限

例题: f(x)f(x)x=0x=0 可导,f(0)=1,f(0)=2f(0)=1, f'(0)=2,求 limx0f(x)exsinx\lim_{x \to 0} \frac{f(x) - e^x}{\sin x}。 解:

limx0f(x)exsinx=limx0f(x)f(0)+1exxsinxx=limx0(f(x)f(0)xex1x)=f(0)1=21=1\lim_{x \to 0} \frac{f(x) - e^x}{\sin x} = \lim_{x \to 0} \frac{f(x) - f(0) + 1 - e^x}{x \cdot \frac{\sin x}{x}} = \lim_{x \to 0} \left( \frac{f(x)-f(0)}{x} - \frac{e^x-1}{x} \right) = f'(0) - 1 = 2 - 1 = 1

5. 高阶导数与特殊求导法

5.1 莱布尼茨公式(乘积的高阶导数)

类比二项式展开 (a+b)n(a+b)^n

(uv)(n)=k=0nCnku(k)v(nk)(uv)^{(n)} = \sum_{k=0}^n C_n^k u^{(k)} v^{(n-k)}

5.2 隐函数求导

yyxx 混合在一起时,方程两边同时对 xx 求导。 例题: yxey=1y - xe^y = 1,求 yy'

  1. 两边求导:y(ey+xeyy)=0y' - (e^y + x e^y y') = 0
  2. 整理:y(1xey)=eyy=ey1xeyy'(1 - xe^y) = e^y \Rightarrow y' = \frac{e^y}{1-xe^y}

5.3 参数方程求导

{y=f(t)x=g(t)\begin{cases} y = f(t) \\ x = g(t) \end{cases},则:

dydx=dy/dtdx/dt\frac{dy}{dx} = \frac{dy/dt}{dx/dt}

二阶导数:d2ydx2=ddt(dydx)dtdx\frac{d^2y}{dx^2} = \frac{d}{dt}(\frac{dy}{dx}) \cdot \frac{dt}{dx}

6. 泰勒公式(Taylor Series)

6.1 核心思想

复杂的函数可以通过无穷项多项式来无限拟合。

f(x)=a0+a1x+a2x2++anxn+f(x) = a_0 + a_1x + a_2x^2 + \dots + a_nx^n + \dots

其中系数 an=f(n)(0)n!a_n = \frac{f^{(n)}(0)}{n!}(麦克劳林级数)。

6.2 常用麦克劳林级数

  • sinx=xx33!+x55!\sin x = x - \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} - \dots
  • cosx=1x22!+x44!\cos x = 1 - \frac{x^2}{2!} + \frac{x^4}{4!} - \dots
  • ex=1+x+12!x2+13!x3+e^x = 1 + x + \frac{1}{2!}x^2 + \frac{1}{3!}x^3 + \dots
  • 11x=1+x+x2+\frac{1}{1-x} = 1 + x + x^2 + \dots
  • ln(1+x)=xx22+x33\ln(1+x) = x - \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{3} - \dots

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6.3 泰勒公式的应用

  1. 代入求极限: 尤其是在处理复杂的无穷小比较时。
  2. 判断无穷小的阶数:
  3. 求高阶导数: 例题: f(x)=x5cosxf(x) = x^5 \cos x,求 f(9)(0)f^{(9)}(0)。 利用 cosx\cos x 展开式:f(x)=x5(1x22!+x44!)=x5x72!+x924f(x) = x^5 (1 - \frac{x^2}{2!} + \frac{x^4}{4!} - \dots) = x^5 - \frac{x^7}{2!} + \frac{x^9}{24} - \dots 根据泰勒系数定义,a9=f(9)(0)9!=124a_9 = \frac{f^{(9)}(0)}{9!} = \frac{1}{24}。 所以 f(9)(0)=9!24=15120f^{(9)}(0) = \frac{9!}{24} = 15120