第四章 微分

本章包含微分相关的基础定理。

§1 微分与导数

定义 导数

设函数 的某个邻域中有定义。如果[[第三章 函数极限与连续函数#定义 函数极限(- 定义)|极限]]

存在且有限,则称 处**可导,此极限值称为 处的导数**,记为

例子:定义 导数 — 例子

定义 左导数与右导数

如果极限

存在且有限,则称其为 处的左导数,记为 。类似定义右导数

例子:定义 左导数与右导数 — 例子

定义 微分

设函数 的某个邻域中有定义。如果存在常数 ,使得

则称 处**可微,其中 称为 处的微分**,记为

例子:定义 微分 — 例子

定义 高阶导数

设函数 导数 处可导,则称 处的值为 处的二阶导数,记为 。一般地, 阶导数 定义为 导数(如果存在)。

例子:定义 高阶导数 — 例子

定义 参数式函数的导数

可导,则

例子:定义 参数式函数的导数 — 例子

定理 可微与可导等价

定理陈述:函数 可微的充分必要条件是它在 可导

证明

先回顾两个定义:

  • 可导:[[第三章 函数极限与连续函数#定义 函数极限(- 定义)|极限]] 存在且有限,记为
  • 可微:存在常数 ,使得 可以表示为 ),其中 表示比 高阶的无穷小量,即

方向一:可导 可微

可导,即 存在。

,则

的定义出发:

两边乘以

。因为 ,所以 ,即 确实是比 高阶的无穷小。

因此 可微

方向二:可微 可导

可微,即 ,其中

两边除以 ):

取极限

所以 存在,可导

结论可微可导等价,且可微时的系数 恰好等于导数

证毕

例子:定理 可微与可导等价 — 例子

§3 导数的四则运算

定理 线性运算

定理陈述:设 在某一区间上都是可导的,则对任意常数 ,它们的线性组合 也在该区间上可导,且满足:

证明

由导数定义:

第三行到第四行用了极限的线性运算(常数可以提出,和的极限等于极限的和),这是合法的因为 都存在。

证毕

定理 乘法法则

定理陈述:设 在某一区间上都是可导的,则它们的积函数也在该区间上可导,且满足:

证明

核心想法:在差商中”加一项减一项”,把 拆成分别涉及 的变化和 的变化的两部分。

第1步:写出差商:

第2步:加一项减一项

第3步:取极限

  • (因为 可导,故 连续
  • 可导
  • 可导
  • 是常数(与 无关)

极限的乘法和加法运算

证毕

定理 除法法则

定理陈述:设 在某一区间上可导,且 ,则它的倒数也在该区间上可导,且满足:

证明

第1步:写出差商:

第2步:通分:

第3步:取极限

  • 可导
  • 可导连续
  • 保证分母不为零)

极限的乘法运算

证毕

推论(商的求导法则):设 都可导且 ,则:

推论的证明,由乘法法则倒数法则

定理 反函数求导定理

定理陈述:若函数 连续、严格单调、可导并且 ,则它的反函数 在对应区间上可导,且有:

证明

核心想法 互为倒数,取极限后自然也互为倒数。

第1步:设 。因为 严格单调且连续,由反函数连续性定理连续

第2步:给 一个增量 ,令 。则 ,即

第3步:因为 连续。又因为 严格单调,

第4步:写出反函数的差商:

第5步:取极限 (此时 ):

这里用到:分母的极限 ,所以可以取倒数。由 的任意性,定理成立。

证毕

例子:定理 反函数求导定理 — 例子

§4 复合函数求导

定理 复合函数求导法则(链式法则)

定理陈述:设函数 可导,而函数 处可导,则复合函数 可导,且有:

证明

核心想法,取极限即得链式法则。但需要小心处理 的情况。

第1步:因为 可导,由定理4.1.1(可微与可导等价), 可微,即:

其中 (当 时)。

第2步:补充定义 。这样当 时,,等式仍然成立。而且 处连续()。

第3步:令 。因为 可导,故 连续,所以

第4步:将 代入第1步的等式:

第5步:两边除以 ):

第6步:取极限

  • 可导
  • ,所以

极限的乘法和加法运算

证毕

注意:这个证明的关键技巧是用”可微”代替”可导”来表述 的增量,通过补充定义 巧妙地避开了 时不能直接除以 的问题。如果直接写 ,当 无定义,需要额外处理。

例子:定理 复合函数求导法则(链式法则) — 例子

§5 高阶导数

定理 高阶导数的线性性

定理陈述:设 都是 阶可导的,则对任意常数 ,它们的线性组合也是 阶可导的,且满足:

证明

用数学归纳法。

归纳基础):这就是定理4.3.1(线性运算),已证。

归纳假设:设 对某个 成立。

归纳步骤 就是 的导数。由归纳假设:

由一阶导数的线性性(定理4.3.1):

归纳完成。对一切

证毕

例子:定理 高阶导数的线性性 — 例子

定理 Leibniz公式

定理陈述:设 都是 阶可导函数,则它们的积函数也 阶可导,且成立公式:

证明

用数学归纳法。这个公式与二项式定理 形式完全类似,只需将”乘方”换成”求导”。

归纳基础):

这就是乘法法则(定理4.3.2),已证。

归纳假设:设对某个 成立。

归纳步骤:对上式两边再求一次导数:

由线性性(定理4.5.1),导数可以进入求和号内:

对每一项用乘法法则

代入得:

第1步:对第二个求和,令 (即 ),则

第2步:将 换回 的记号(只是哑指标):

第3步:合并两个求和:

第4步:把 的项从第一个和中提出,把 的项从第二个和中提出,中间项 合并:

  • 的项:
  • 的项:
  • 的项:

第5步:利用组合恒等式 (这是Pascal恒等式,即从 个元素中选 个,按是否包含第 个元素分类计数即得)。

第6步:代入合并:

归纳完成。Leibniz公式对一切 成立。

证毕

例子:定理 Leibniz公式 — 例子

相关链接

来源引用

  • [数学分析 陈纪修 第三版 上](raw/数学分析 陈纪修 第三版 上/full.md)