高等数学——导数定义

发布时间 2023-07-11 21:26:53作者: Aisaka_Taiga

导数定义

物体运动的速度:非匀速。

运动的距离:\(f(t)-f(t_{0})\)

\(t\)\(t_{0}\) 的平均速度:

\[\lim_{t\to t_{0}}\frac{f(t)-f(t_{0})}{t-t_{0}}=v \]

\(y=f(x)\)\(x_{0}\) 的领域内有定义,在 \(x\) 处取一个增量 \(\Delta x\)\(\Delta y = f(x_{0}+\Delta x)-f(x_{0})\),如果

\[\lim_{\Delta x\to 0}\frac{\Delta y}{\Delta x}=\lim_{\Delta x\to 0} \frac{f(x_{0}+\Delta x)-f(x_{0})}{\Delta x} \]

存在,则称函数 \(y=f(x)\)\(x_{0}\) 处可导,并且称这个极限为函数 \(y=f(x)\)\(x_{0}\) 处的导数,记为:\(f'(x_{0})\),即

\[f'(x)=\lim_{\Delta x\to 0}\frac{\Delta y}{\Delta x}=\lim_{\Delta x\to 0} \frac{f(x_{0}+\Delta x)-f(x_{0})}{\Delta x} \]

也可以记作:\(y'|_{x=x_0}\)\(\frac{dy}{dx}\big|_{x=x_{0}}\)\(\frac{df(x)}{dx}\big|_{x=x_{0}}\)

\[\lim_{h\to 0}\frac{f(x_{0}+h)-f(x_{0})}{h} \]

\[\lim_{x\to x_{0}}\frac{f(x)-f(x_{0})}{x-x_{0}} \]

以上为导数的三种定义。

\(f(x)\) 在一开区间内任意一点都可导的时候,此时 \(f(x)\) 称为导函数。

\(f'(x),y', \frac{dy}{dx},\frac{df(x)}{dx}\)

常用求导公式

\(f(x)=c\)\(c\) 为常数,\(\lim_{h\to 0} \frac{f(x+h)-f(x)}{h}=0\)\((c)'=0\)

常数求导为 \(0\)

\(f(x)=x^{n}\),当 \(n=1\) 时,\(\lim_{h\to 0} \frac{f(x+h)-f(x)}{h}=\lim_{h\to 0}\frac{x+h-x}{h}=1\)\((x)'=1\)

\(n>1\) 时,\(\lim_{h\to 0} \frac{(x+h)^{n}-x^{n}}{h}=\lim_{h\to 0}[nx^{n-1}+\dots h^{n-1}]=nx^{n-1}\)

所以:

\[(x^{n})'=\left\{\begin{matrix} 1&n=1\\nx^{n-1}&n>1 \end{matrix}\right. \]

\(f(x)=x^{\mu}(\mu\in \text{R})\)

\[\frac{f(x+h)-f(x)}{h}=\frac{(x+h)^{\mu}-x^{\mu}}{h} =(x^{\mu})'=\mu x^{\mu - 1} \]

\((\sqrt{x})'=(x^{\frac{1}{2}})=\frac{1}{2}x^{\frac{1}{2}-1}=\frac{1}{2}x^{-\frac{1}{2}}\)

\(f(x)=\sin x\)

\[\lim_{h\to 0}\frac{f(x+h)-f(x)}{h}=\lim_{h\to 0}\frac{\sin(x+h)-\sin x}{h}= \lim_{h\to 0}\frac{1}{h}2\cos(x+\frac{h}{2})\sin\frac{h}{2}= \cos x \]

\[(\sin x)'= \cos x \]

\[(\cos x)'=-\sin x \]

\((a^{x})'=a^{x}\ln a\)

\((\log_{a}x)'=\frac{1}{x\ln a}\)

\((\ln x)'=\frac{1}{x}\)

\((e^{x})'=e^{x}\)

\(y=|x|\)\(x=0\) 时的导数。

\[\lim_{h\to 0^{-}}\frac{f(x+h)-f(x)}{h}=\lim_{h\to 0^{-}}\frac{-h-0}{h}=-1 \]

\[\lim_{h\to 0^{+}}\frac{f(x+h)-f(x)}{h}=\lim_{h\to 0^{+}}\frac{h-0}{h}=1 \]

单侧导数

从某侧逼近的导数。

左导数:

\[f'_{-}(x_{0})\lim_{h\to 0^{-}}\frac{f(x_{0}+h)-f(x_{0})}{h} \]

右导数:

\[f'_{+}(x_{0})\lim_{h\to 0^{+}}\frac{f(x_{0}+h)-f(x_{0})}{h} \]

经典例子:\(y=|x|\).

\(f'_{+}(0)=1,f'_{-}(0)=-1\)

在某点可导的充要条件是左右导数都存在且相等。

如果函数 \(f(x)\) 在开区间 \((a,b)\) 内可导,且 \(f'_{-}(b)\) 以及 \(f'_{+}(a)\) 都存在,那么就说函数 \(f(x)\) 在闭区间 \([a,b]\) 上可导。