3.5 一元函数微分

3.5.1 微分的由来

首先我们看函数:y=f(x)=2xy=f(x)=2x,在x0x_0处有:

△y=f(x0+△x)−f(x0)=2(x0+△x)−2x0=2△x\triangle y =f(x_0+\triangle x)-f(x_0)=2(x_0+\triangle x) - 2x_0 = 2 \triangle x

可以看到在x0x_0处,y的增量等于x的增量的2倍。

接着看函数:y=x2y=x^2, 在x0x_0处有:

△y=(x0+△x)2−x02=2x0△x+(△x)2\triangle y = (x_0+\triangle x)^2-{x_0}^2=2x_0\triangle x+(\triangle x)^2

lim⁡△x→0△y△x=lim⁡△x→02x0△x+(△x)2△x\lim_{\triangle x \to 0}\frac{\triangle y}{\triangle x}=\lim_{\triangle x \to 0}\frac{2x_0\triangle x+(\triangle x)^2}{\triangle x}

lim⁡△x→0△y△x=2x0\lim_{\triangle x \to 0}\frac{\triangle y}{\triangle x}=2x_0

可以看到在x0x_0处,y的增量由两部分构成,第一部分可以看做一个常数2x02x_0与x的增量△x\triangle x的乘积,这部分△x\triangle x和△y\triangle y满足线性关系。第二部分,当△x\triangle x趋于0时,(△x)2(\triangle x)^2可以看做是△x\triangle x的高阶无穷小。所以当△x\triangle x趋于0时,可以忽略高阶无穷小部分。原本x和y不是线性关系,但是x和y的增量部分,△y\triangle y就可以用△x\triangle x线性表示。所以当△x\triangle x变化很小时,就可以用简单的线性估算出△y\triangle y。

最后我们再看一个函数:y=x3y=x^3, 在x0x_0处有:

△y=(x0+△x)3−x03=3x02△x+3x0(△x)2+(△x)3\triangle y = (x_0+\triangle x)^3-{x_0}^3=3{x_0}^2\triangle x +3x_0(\triangle x)^2 +(\triangle x)^3

lim⁡△x→0△y△x=lim⁡△x→03x02△x+3x0(△x)2+(△x)3△x\lim_{\triangle x \to 0}\frac{\triangle y}{\triangle x}=\lim_{\triangle x \to 0}\frac{3{x_0}^2\triangle x +3x_0(\triangle x)^2 +(\triangle x)^3}{\triangle x}

lim⁡△x→0△y△x=lim⁡△x→03x02△x+O(△x)△x\lim_{\triangle x \to 0}\frac{\triangle y}{\triangle x}=\lim_{\triangle x \to 0}\frac{3{x_0}^2\triangle x +O(\triangle x)}{\triangle x}

lim⁡△x→0△y△x=3x02\lim_{\triangle x \to 0}\frac{\triangle y}{\triangle x}=3{x_0}^2

当△x\triangle x趋于0时,△y\triangle y也可以由△x\triangle x的线性部分3x02△x3{x_0}^2\triangle x和△x\triangle x的高阶无穷小部分3x0(△x)2+(△x)33x_0(\triangle x)^2 +(\triangle x)^3 构成。所以当△x\triangle x趋于0时,△y\triangle y和△x\triangle x之间也满足线性关系。进而当△x\triangle x很小时,我们根据x的变化量也可以通过线性关系估算y的变化量。当x变化越小这个估算越准。

3.5.2 微分的定义

通过上边3个函数我们发现,当△x\triangle x趋于0时,△y\triangle y可以表示为一个常数A与△x\triangle x的乘积加上一个△x\triangle x的高阶无穷小。

△y=A△x+O(△x);(△x→0)\triangle y = A \triangle x + O(\triangle x);(\triangle x \to 0)

则称y=f(x)y=f(x)在x0x_0处可微。A△xA \triangle x为线性主部(线性关系的主要部分)。记作:

dy=Adx\mathrm{d}y = A \mathrm{d}x

dx\mathrm{d}x和dy\mathrm{d}y分别是x和y的微分。

可微描述的是△x\triangle x和△y\triangle y之间的类线性关系。

3.5.3微分和导数的关系

dy=Adx\mathrm{d}y = A \mathrm{d}x 中的A等于f′(x0)f'(x_0)。

通过3.5.1节的几个例子,你可以发现:

对于y=2xy=2x,A等于2。

对于y=x2y=x^2,A等于2x02x_0。

对于y=x3y=x^3,A等于3(x0)23(x_0)^2。

A都等于在x0x_0处的导数。

下边给出证明:

根据微分定义

△y=A△x+O(△x);(△x→0)\triangle y = A \triangle x + O(\triangle x);(\triangle x \to 0)

则有:

lim⁡△x→0△y△x=lim⁡△x→0(A+O(△x)△x)=A\lim_{\triangle x \to 0} \frac{\triangle y}{\triangle x}=\lim_{\triangle x \to 0}(A+\frac{O( \triangle x)}{\triangle x})=A

lim⁡△x→0f(x0+△x)−f(x0)△x=A\lim_{\triangle x \to 0} \frac{f(x_0+\triangle x)-f(x_0)}{\triangle x}=A

所以f′(x0)=Af'(x_0)=A

在一元函数里,可微和可导是等价的。可微必可导,可导必可微。

3.5.4微分的几何意义

微分的几何意义就是以直代曲。用直线代替曲线。比如函数y=x2y=x^2,它的导数dydx=2x\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=2x。

在x等于1附近,x发生微小变化时,y的变化可以用dy=2dx\mathrm{d}y = 2 \mathrm{d}x这个线性变化来近似。

0323.png

同样的y=x2y=x^2在x等于2附近,x发生微小变化时,y的变化可以用dy=4dx\mathrm{d}y = 4 \mathrm{d}x这个线性变化来近似。

0324.png

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