為了打通微積分的「任督二脈」,讓我們來愉快地求導數吧

2020-12-05 設計勞斯基

本篇是是上一篇文章

微積分的思維,是對傳統方法的降維打擊,大道至簡其實不難!的延續閱讀。

之前,我們已經了解了從微分到積分的轉換過程。其實,我們也可以反向推演從積分到微分的轉換過程。

對任一可導的函數y=f(x),在區間x∈[a,b]上,有f(b) -f(a),這是曲線y=f(x)Y軸上的一段投影的長度。

把區間x∈[a,b]分割成無限個無限小,每個無限小記為△x,則有b-a=∞*△x

那麼:

f(b) -f(a)=[f(b) -f(b-△x)]+[f(b-△x) -f(b-2*△x)]+......+[f(a+2△x) -f(a+△x)]+[f(a+△x) -f(a)]

因為△x/△x=1,又得到:

f(b) -f(a)=[f(b) -f(b-△x)]/△x*△x+[f(b-△x) -f(b-2△x)]/△x*△x+......+[f(a+2△x) -f(a+△x)]/△x*△x+[f(a+△x) -f(a)]/△x*△x

=f'(b)△x+f'(b-△x)△x+......+f'(a+2△x)△x+f'(a+△x)△x

因為函數y=f(x)可導我們把f'(b)~f'(a),記作f'(x),於是得:f(b) -f(a)=∫f'(x)dx,x∈[a,b]。

拿出式中一項,單獨表達:[f(x+△x) -f(x)]/△x=f'(x)。因為[f(x+△x) -f(x)]/△x要進行極限運算,表達式記作:

從上述的推演來看,導函數f'(x)是可以由原函數f(x)計算得出的而原函數f(x)是由導函數f'(x)逆向推導得來的。為了能在微積分計算時,收放自如地推導原函數f(x),我們需要先做好準備工作:求導數f'(x)

下面,我們一起來了解幾個常見函數的求導過程。

1、常數函數y=C求導:

也可以記作:(C)'=0。

2、比例函數y=ax+b求導,a、b為實數:

也可以記作:(ax)'=a。它也可以視為冪函數y=x^μμ=1時的一個特例。

3、指數函數y=a^x求導:

初中學數學的時候,我們先學的冪次方運算後學的指數運算,但求導數不一樣,指數函數能用正常的方法求,但冪函數需要藉助指數函數的求導結果來求導。所以,我們先來了解指數函數的求導。

也可以記作:(a^x)'=a^x*lna。

當指數函數的底取自然對數e,也就是a=e時,因為lne=1,所以(e^x)'=e^x。

4、冪函數的y=x^μ求導:

我們可以先求一個μ為正整數時的特例。取x=a,x無限趨近於a時,就可以求出y=x^μx=a處的導數。

a替換成x,就有(x^μ)'=μx^(μ-1),μ從正整數域推廣到實數域,這個結論也是成立的。但這是類比推論,(x^μ)'=μx^(μ-1)還需要去證明。這就需要藉助指數函數y=e^x和對數函數y=lnx的求導結果以及複合函數的求導方法。我們先把證明貼出來,有需要補對數函數和複合函數求導課的同學,可以回頭再來看。

首先我們做一個很有意思的轉換:x=e^lnx。有的同學可能忘了對數的運算,那我們先證明一下這個等式。令e^lnx=y,則lnx=lny,x=y,所以x=e^lnx。那麼有:

了解了這幾個基本函數的導數,反過來求積分,一般的求面積或路程的問題,就不在話下了。

如果把微積分當作一門武功,那求導數就相當於打開了「任督二脈」。為了學好微積,讓我們來愉快地求導數吧!

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