这一节继续上一章关于切线和斜率的讨论,我们知道对于函数f(x),在x0的切线的斜率可以由:
m=limh→0hf(x0+h)−f(x0)
求得,称m为f(x)在x0处的导数(derivative)。如果我们考察函数每一个x处的导数,那么可以得到:
f′(x)=limh→0hf(x+h)−f(x)
f′(x)称为f(x)的导函数(derivative function)。
f(x)在x0处有导数,我们称为f(x)在x0处可微(differentiable),如果f(x)在定义域内处处可微,那么可以称f(x)可微。
如果设z=x+h,那么导函数可以表达为:
f′(x)=limz→xz−xf(z)−f(x)
求导数的计算过程称之为微分(differentiation),上面这种表达方式在求某些函数的导数的时候比较方便。
一些表达微分的常见符号:
f′(c)=y′=dxdy=dxdf=dxdf(x)=D(f)(x)=Dxf(x)
可微的判断
可微的定义是通过极限来描述的,所以可微的判断等价于判断对应极限是否存在。由于极限有单向极限的存在,可微也有相同的概念,另外极限为无穷,也等同于不可微。
区间内的可微判断
f(x)在一个开区间内可微,当且仅当它在区间内各个点都可微。f(x)在一个闭区间内可微,当且仅当它在区间内给个点都可微,且在端点a和b处分别存在左和右导数。
可微和连续的关系
这是很重要的概念,它指的是如果函数f在x=c处可微,那么它在x=c处连续。
证明:
如果f在x=c处连续,那么根据连续定义,需要证明
limx→cf(x)=f(c)
我们将其转换成另一种形式(思维突破点)
limx→c[f(x)−f(c)]=0
要证明以上式子成立,我们根据已知即f在x=c处可微,存在
limx→cx−cf(x)−f(c)
我们观察x−cf(x)−f(c)和f(x)−f(c),比较相似,要将x−cf(x)−f(c)转换为f(x)−f(c),可以写成
x−cf(x)−f(c)⋅(x−c)
变成要证明
limx→c[x−cf(x)−f(c)⋅(x−c)]=0
首先,x−cf(x)−f(c)⋅(x−c)在x=c处的极限是否存在?我们知道存在
limx→c(x−c)=0
因为f在x=c处可微,那么也存在
limx→cx−cf(x)−f(c)
这里不需要知道x=c处的导数是多少,我们知道它存在即可。那么应用极限的乘法定理可得(这里要特别注意,极限乘法定理成立的前提是乘法的两项的极限都要存在,所以没有上面两个前提的成立,无法应用乘法定理)
limx→c[x−cf(x)−f(c)⋅(x−c)]=limx→c[x−cf(x)−f(c)]⋅limx→c(x−c)=limx→c[f(x)−f(c)]=0
证毕。
要注意f在x=c处连续,不能推导出f在x=c处可微。因为要证明此推论成立的话,就要证明存在
limx→cx−cf(x)−f(c)
我们观察x−cf(x)−f(c),对于x=c
limx→c[f(x)−f(c)]=0
并且
limx→c(x−c)=0
似乎可以应用极限的除法定理,但是除法定理要求分母不能为零,所以无法证明
limx→cx−cf(x)−f(c)
存在
练习
- f(x)=4−x2;求f′(−3),f′(0),f′(1)
h→0limf(x)=hf(x+h)−f(x)=h4−(x+h)2−4+x2=hx2−(x2+h2+2xh)=h−h2−2xh=−h−2x=−2x
∴f′(−3)f′(0)f′(1)=6=0=−2
- F(x)=(x−1)2+1
h→0limF(x)=hF(x+h)−F(x)=h(x+h−1)2+1−(x−1)2−1=hh2+(x−1)2+2h(x−1)−(x−1)2=h+2x−2=2x−2
- g(t)=t21
h→0limg(t)=hg(t+h)−g(t)=h(t+h)21−t21=h(t+h)2⋅t2t2−(t+h)2=h(t+h)2⋅t2−h2−2th=(t+h)2⋅t2−h−2t=t4−2t=t3−2
- k(z)=2z1−z
h→0limk(z)=hk(z+h)−k(z)=h2(z+h)1−z−h−2z1−z=4z2+4zh−2h=0
- p(ϕ)=3ϕ
h→0limp(ϕ)=hp(ϕ+h)−p(ϕ)=h3(ϕ+h)−3ϕ=h(3(ϕ+h)−3ϕ)⋅3(ϕ+h)+3ϕ3(ϕ+h)+3ϕ=h⋅(3(ϕ+h)+3ϕ)3(ϕ+h)−3ϕ=3(ϕ+h)+3ϕ3=23ϕ3
- r(s)=2s+1
h→0limr(s)=hr(s+h)−r(s)=h2(s+h)+1−2s+1⋅2(s+h)+1+2s+12(s+h)+1+2s+1=h⋅(2(s+h)+1+2s+1)2s+2h+1−2s−1=2(s+h)+1+2s+12=2s+11
- dxdy if y=2x3
h→0limy=h2(x+h)3−2x3=h2x2+2xh2+4x2h+2hx2+2h3+4xh2−2x3=2xh+4x2+2x2+2h2+4xh=6x2
- dsdr if r=2s3+1
h→0limr=2h(s+h)3−s3=2h3sh2+3hs2+h3=23sh+3s2+h2=23s2
- dtds if s=2t+1t
h→0lims=h2t+2h+1t+h−2t+1t=h(2t+2h+1)(2t+1)(t+h)(2t+1)−t(2t+2h+1)=h(2t+2h+1)(2t+1)2t2+t+2th+h−2t2−2th−t=(2t+1)21
- dtdv if v=t−t1
h→0limv=ht+h−t+h1−t+t1=hh−(t+h1−t1)=1−t(t+h)−1=1+t21
- dqdp if p=q+11
h→0limp=hq+h+11−q+11=h⋅q+h+1⋅q+1q+1−q+h+1⋅q+1+q+h+1q+1+q+h+1=h⋅2(q+1)3−h=2(q+1)3−1
- dwdz if z=3w−21
h→0limz=h3(w+h)−21−3w−21=h⋅3(w+h)−2⋅3w−23w−2−3(w+h)−2⋅3w−2+3(w+h)−23w−2+3(w+h)−2=2h⋅(3w−2)3−3h=−2⋅(3w−2)33
13 - 22 略...
- f(x)=x+21
z→xlimz−xf(z)−f(x)=z−xz+21−x+21=(z−x)(z+2)(x+2)x+2−z−2=(z−x)(z+2)(x+2)−(z−x)=(x−2)2−1
- f(x)=(x−1)21
z→xlimz−xf(z)−f(x)=z−x(z−1)21−(x−1)21=(z−x)(z−1)2(x−1)2(x−1)2−(z−1)2=(z−x)(z−1)2(x−1)2[(x−1)−(z−1)][(x−1)+(z−1)]=(z−x)(z−1)2(x−1)2−(z−x)(x+z−2)=(x−1)4−2(x−1)=(x−1)3−2
- g(x)=x−1x
z→xlimz−xg(z)−g(x)=z−xz−1z−x−1x=(z−x)(z−1)(x−1)z(x−1)−x(z−1)=(z−x)(z−1)(x−1)−(z−x)=(x−1)2−1
- g(x)=1+x
z→xlimz−xg(z)−g(x)=z−xz−x=z−xz−x⋅z+xz+x=z+x1=2x1
f(x)=⎩⎨⎧x2,x,0,if x<0if x>0if x=0
xp=0
h→0−limh(xp+h)2−xp2=h+2xp=0
h→0+limhxp+h−xp=1
∴f(x)在P点不可微
f(x)={2,2x,if x≤1if x>1
xp=1
h→1−limh2−2=0
h→1+limh2(xp+h)−2xp=2
∴f(x)在P点不可微
f(x)={x,2x−1,if 0<x<1if x≥1
xp=1
h→1−limhxp+h−xp=2xp1=1/2
h→1+limh2(xp+h)−1−2xp+1=2
∴f(x)在P点不可微
f(x)={x,1/x,if x<1if x≥1
xp=1
h→1−limhxp+h−xp=1
h→1+limh1/(xp+h)−1/xp=−xp21=−1
∴f(x)在P点不可微