探討:「高階求導」的直觀幾何意義

2021-01-11 電子通信和數學

高階求導在資料中很常見,最明顯的就是泰勒級數,前面有關泰勒級數的文章已經說明了一階求導,二階求導,三階求導的含義,但對它的直觀幾何意義本篇將進一步說明:

首先來看一個三角函數的曲線

一階求導:大家都知道是在表示每一點的斜率。

二階求導:是在表示斜率的變化率,如圖棕色部分斜率不斷增大,所以二階導數肯定為正,曲線是向上凹的

如圖紅色部分斜率不斷減小,所以二階導數肯定為負,曲線是向上凸的。

例如下面兩個圖形,一個圖形很陡,一個圖形比較平緩,但它們的二階導數肯定都是正數。

二階導數為正,斜率的變化率很大

二階導數為正,斜率的變化率較小

我們如何來理解這個二階導數本質原理呢?

圖中兩個微小的變量dx,它們的增量之差就是d(df)。 你可以想下如果f(x)是一次函數,d(df)肯定是0。因為df1=df2.

d(df)就是斜率的變化率乘以(dx)^2

二階導數就是變化量的變化量比上(dx)^2

如圖藍色部分,斜率不斷減小,說明汽車速度不斷減小,所以二階導數(加速度)為負。

同理另一部分,斜率不斷增加,說明汽車速度在不斷增加,所以二階導數(加速度)為正。

以上就是對高階導數的直觀描述,高階導數最大的應用就是泰勒級數。

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