只要抓住這一點,我們就可以輕鬆地認識導數和偏導數

2021-01-08 設計勞斯基

初學微積分,最繞不過去的當然是導數了。我們試著百度了一下導數,得到下面的定義:

當自變量的增量趨於零時,因變量的增量與自變量的增量之商的極限。一個函數存在導數時,稱這個函數可導或者可微分。

也有同學是從物理學角度了解微積分的,說對於一個s-t位移方程式,導數就是速度,二階導數就是加速度。跟上面的定義差不多,都是極限值。

有同學總是習慣將微積分與「動態」、「極限」這樣的字眼聯繫在一起,在腦海中烙下「結果極限近似」的誤解。其實,很多時候我們只是用極限的方法去理解和證明它,結果不見得都是極限近似。比如微分集合與積分差就是曲線在不同空間維度上的互逆轉換,它是完全等價的,導數也一樣。

先看一個簡單函數的求導數過程,以函數f(x)=x^2為例:

之所以說導數是極限近似的,是不是因為那個略去的無窮小Δx?

下面我們做一個不嚴謹的假定,假定0是可以被除的,重要的事情說三遍:假定!假定!假定!

在曲線y=x^2上取任一點對應x。

我們就停留在這個點上求導數,不論向左還是向右,它在平面坐標軸上的變化都為0,那麼:

結果是不是一樣的?連極限運算都不用了吧。

通過以「0可以被除」的假定為前提的求導過程,我們可以這樣理解:

對於一段連續的函數曲線f(x,y)=0,可以把任一點的空間狀態拿出來單獨描述,這一描述就是導數f'(x),如果需要對這個點進行量化,就賦予它一個無窮小的自變量Δx,結果就是微分f'(x)Δx。導數f'(x)和微分f'(x)Δx是曲線上任一點的一體兩面,一個用來描述狀態,一個用來量化尺度。

當然,如果Δx不是無窮小,微分f'(x)Δx也可以量化曲線的變化尺度,我們後面再講。

對f(x,y)=0,做一下補充說明。把y=x^2變換一下形式,得x^2-y=0,就得到f(x,y)=0,可知道它是一條曲線。如果f(x,y)≠0,x^2-y=z,再變換一下x^2-y-z=0,就得到f(x,y,z)=0,可知道它是一個曲面。依次類推,f(x,y,z,w)=0就是一個曲體,f(x,y,z,w,v)=0就是一個超曲體等等。

那麼導函數是怎麼回事呢?就像你觀察一個原子內部,發現裡面還藏著一個小宇宙一樣,在一個曲線空間的點上,開拓一個新的曲線空間。求高階導數呢,就是一層層嵌套的曲線空間,直至開拓出一個常數空間,導數才歸0,不能繼續向下開拓。

偏導數理解起來可能要難一點點,但道理是相同的,無論對曲面、曲體還是超曲體求導都是要壓縮掉一個空間維度。

以對一個曲面f(x,y,z)=0求導為例,壓縮掉一個空間維度就是要描述曲面上每一條曲線的空間狀態。因為曲面有兩個方向的自變量x和y,相當於取曲面上橫豎垂直交叉的兩條曲線,我們先視其中一個方向的自變量為常數,然後對這兩條線分別求導。

例如曲面函數z=x^2*y^2(它的曲面差不多相當於一個窄口高杯子),對其求偏導數,得:

我們前面講了,對曲線求導得到的是點的空間狀態。但當x或y作為常數布滿整個定義域區間時,這些點就連成一條線了,所以曲面函數的偏導數是對x,y兩個方向上曲線的空間狀態的描述。

於是,曲面函數的全微分的表述就要考慮為兩個方向的微分之和:

如果再增加一個自變量,對一個曲體w=x^2*y^2*z^2求導,用圖形就沒法描述了,但求導方法是一樣的:

它的全微分:

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