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=x2−x1y2−y1,反映了 y 随 x 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)=limΔx→0Δxf(a+Δx)−f(a)=dxdy
- 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)),引入中间变量 u=g(x)。
dxdy=dudy⋅dxdu
例题: 求 y=sin(x2) 的导数。
- 令 u=x2⇒y=sinu
- dudy=cosu,dxdu=2x
- y′=cos(x2)⋅2x
2.2 常用导数表(速查)
- (C)′=0
- (xα)′=αxα−1
- (sinx)′=cosx
- (cosx)′=−sinx
- (lnx)′=x1
- (ex)′=ex
- (arctanx)′=1+x21

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 limΔx→0Δxf(a+Δx)−f(a) 是否存在且有限。
例题: 判断 f(x)={x2sinx10x=0x=0 在 x=0 处的可导性。
limΔx→0Δxf(0+Δx)−f(0)=limΔx→0ΔxΔx2sinΔx1−0=limΔx→0ΔxsinΔx1
由于 sinΔx1 是有界函数,而 Δx→0,根据夹逼准则,极限为 0。因此 f(x) 在 0 处可导且 f′(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) 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=∣x∣ 在 x=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)
当 Δx 极小时,f(a+Δx)≈f(a)+f′(a)⋅Δx。
例题: 已知 f(x)=x,求 4.01 的近似值。
- 选取基准点 a=4,则 f(4)=2。
- 求导:f′(x)=2x1⇒f′(4)=41=0.25。
- Δx=0.01。
- f(4.01)≈2+0.25×0.01=2.0025。
4.2 利用导数定义求极限
例题: f(x) 在 x=0 可导,f(0)=1,f′(0)=2,求 limx→0sinxf(x)−ex。 解:
limx→0sinxf(x)−ex=limx→0x⋅xsinxf(x)−f(0)+1−ex=limx→0(xf(x)−f(0)−xex−1)=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:
(uv)(n)=∑k=0nCnku(k)v(n−k)
5.2 隐函数求导
当 y 与 x 混合在一起时,方程两边同时对 x 求导。 例题: y−xey=1,求 y′。
- 两边求导:y′−(ey+xeyy′)=0
- 整理:y′(1−xey)=ey⇒y′=1−xeyey
5.3 参数方程求导
若 {y=f(t)x=g(t),则:
dxdy=dx/dtdy/dt
二阶导数:dx2d2y=dtd(dxdy)⋅dxdt。
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+…
其中系数 an=n!f(n)(0)(麦克劳林级数)。
6.2 常用麦克劳林级数
- sinx=x−3!x3+5!x5−…
- cosx=1−2!x2+4!x4−…
- ex=1+x+2!1x2+3!1x3+…
- 1−x1=1+x+x2+…
- ln(1+x)=x−2x2+3x3−…

6.3 泰勒公式的应用
- 代入求极限: 尤其是在处理复杂的无穷小比较时。
- 判断无穷小的阶数:
- 求高阶导数: 例题: f(x)=x5cosx,求 f(9)(0)。 利用 cosx 展开式:f(x)=x5(1−2!x2+4!x4−…)=x5−2!x7+24x9−… 根据泰勒系数定义,a9=9!f(9)(0)=241。 所以 f(9)(0)=249!=15120。