当前课程知识点:微积分(先修课) > 第三章 导数与微分 > 3.1 导数与导函数 > 3.1.1 导数与导函数(1)
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微积分课程
今天我们介绍
第三章 导数与微分
第一节 导数与导函数
前面我们已经学习了
函数在一点的两个性质
也就是函数在一点的
极限存在性
与函数在一点的连续性
这两个性质
刻画的只是函数
f(x)随着自变量x
在x0附近的变化
而变化的定性性质
它不能反映函数值f(x)
与自变量x之间的
量的关系
导数与微分
恰恰是反映
函数值与自变量之间
量的关系的两个概念
导数和微分
是一元函数微分学中
两个重要
而且密切相关的概念
它们在科学
和工程技术中
有着极为广泛的应用
导数与微分的概念
是从十七世纪开始
随着近代航海业
和工业的发展
而逐渐建立起来的
在这一讲中
我们将要介绍
函数在一点
可导与可微的概念
介绍函数在一点
导数与微分的定义
介绍函数在一点
连续性 可导性
与可微性之间的关系
同时给出
可导函数的
和 差 积 商函数
复合函数
以及反函数的求导法则
给出基本的导数公式
同时我们还要介绍隐函数
函数方程确定的函数
幂指函数
以及具有多个乘除因子的函数
等特殊函数的求导法
我们还要介绍
高阶导数的概念
和高阶导数的求法
首先我们来介绍
第一节的内容
导数与导函数
函数在一点连续的性质
反映的是函数值
在一点附近
随着自变量的变化
而变化的定性性质
为了反映
函数在一点
函数值的变化
与自变量的变化之间的
量的关系
就要引进函数
在一点的导数和微分的概念
在这一讲中
我们将介绍
函数在一点可导的概念
和导数的定义
介绍函数在一点
左右导数的定义
并且给出
函数在一点的导数
与左右导数的关系
我们看几个
与导数概念
有关的问题
第一个
我们介绍一下
曲线它的切线问题
我们在
平面解析几何中
我们知道
如果x0 y0和x y
是直线l上的两个点
那么比值y减y0
比上x减x0它的大小
表示的
就是直线的斜率
这个值的大小
反映的就是直线上
点的纵坐标
关于横坐标的变化率
如果对于曲线来说
我们假设
a是曲线y等f(x)上的定点
b是曲线y等f(x)上的动点
那么过ab两点的直线
我们用lab表示
那么这时候比值
f(x)减f(x0)比上
x减x0
就是直线lab的斜率
这个比值的大小
反映的就是曲线
y等于f(x)上的
点的纵坐标
关于横坐标的
平均变化率
如果点b
沿着曲线y等f(x)
趋向于点a时
直线lab
它趋向于某条直线l
我们就称直线l
是曲线y等f(x)
在点a处的切线
这是曲线
在一点的
切线的定义
那么
根据曲线的定义
我们就知道
直线lab的斜率
f(x)减掉f(x0)比上x减x0
它的极限
就应该是切线
l的斜率
这个极限值的大小
反映的就是函数f(x)
在x0这点处
函数值
关于自变量x的变化率
下面
我们来看一个具体的例子
我们求指数曲线
y等于e的x次方
在(0,1)这点的切线方程
根据我们前面
得到的极限结论
我们知道
e的x次方减掉e的0次方
比上x减0
在x趋向于0时的极限
是等于1的
这也就是说
我们要求的
切线的斜率
就等于1
又因为
这条直线
过(0,1)点
所以
这条直线的方程
就是y等于
1加上1乘上括号里面
x减0
也就是
y等于x加1
下面
我们看另外一个
与导数概念有关的例子
就是关于
变速运动物体
它的瞬时速度
我们知道
如果
质点p的运动距离s
与运动时间t之间的关系
定义为s等于s(t)时
那么
当质点p
做的是匀速运动时
s(t)减s(t0)
比上t减t0这个比值
它的大小
表示的就是质点的运动速度
如果
质点做的是
非匀速运动时
那么
这个比值的大小
表示的就是
质点从t0时刻
到t时刻之间
它的平均速度
如果
我们求的是这个比值的极限
那么根据
运动物体
在某个时刻的瞬时速度的概念
我们就知道
这个极限值的大小
表示的就是质点p
在t0时刻的
瞬时速度
下面
我们求一个
具体的运动物体的瞬时速度
我们假设
某物体的运动距离
与运动时间
之间的关系是
s(t)等于4.9倍的t的平方
那么
我们来求一下这个物体
从时刻t到时刻
t加△t的平均速度
并求这个物体
在时刻t的瞬时速度
我们根据
这个物体
它的运动距离
与运动时间的关系
我们知道
它从时刻t
到时刻t加△t的行驶距离
△s
就等于9.8倍的t
乘上△t再加上
4.9倍的△t的平方
在这段时间中
这个物体的平均速度
就是它走过的距离△s
除上
走这段距离所用的时间△t
这个比值也就等于
9.8倍的t加上
4.9倍的△t
我们求这个比值
在△t趋向0时的极限
就会得到
这个极限值
就等于9.8倍的t
所以
这个运动物体
在时刻t的瞬时速度
也就是9.8倍的t
在上面
我们处理了两个具体的问题
一个是关于
曲线在一点的切线问题
另外一个是
关于变速运动物体
在某个时刻的
瞬时速度问题
尽管这两个问题的背景不同
但在它们的处理过程中
都出现了
一个比值的极限问题
一般的如果对于函数f(x)
我们要讨论
f(x)减掉f(x0)
比上x减x0
在x趋向x0的极限问题
就是要研究
函数在一点是否可导
和求函数在一点的导数值的问题
下面
我们给出函数在一点可导
和导数值的概念
定义1
我们假设函数y等f(x)
在x0的某个邻域内有定义
如果这个函数
在x0点的函数改变量
也就是f(x)减掉f(x0)
比上自变量的改变量
也就是x减x0
在x趋向于x0的极限存在
那么
我们就称这个函数
f(x)在x0这一点
是可导的
这个极限值的大小
就称为是
这个函数f(x)
在x0这点的导数值
简称为导数
一般的
我们将导数记作
f一撇或者是dy dx
或者是df dx
为了体现
我们是在x0这点求导
也可以表示成
f一撇x0 dy dx
加一个下标x等x0
df dx加一个下标
x等于x0
一般读的时候
这三个记号我们都读作是
函数f(x)在x0这点的导数
如果我们将
自变量的改变量
用△x来表示
而函数f(x)
在x0这点的
函数值的改变量
我们用△f(x0)来表示
那么导数的定义
就可以表述为
如果△f(x0)比上△x
在△x趋向于0时的极限存在
那么我们就称函数f(x)
在x0处可导
极限值的大小
就称为是函数f(x)
在x0处的导数值
我们知道
函数值的改变量
与自变量的改变量比值的大小
就是函数f(x)在x0
到x0加△x这个区间上的
平均变化率
那么
极限值也就是导数值
f一撇x0
就是函数f(x)
在x0处的变化率
导数值的绝对值
它的大小
反映的
应该就是
f(x)在x0这点
函数值
随着自变量的变化
而变化的快慢
而导数值的正负号
反映的是函数值
随着自变量的增加
是增加的
还是减少的
我们说
函数在一点是否可导
就是要看
函数值在这一点的改变量
与自变量的改变量
在自变量改变量趋向于0时
极限是否存在
如果这个极限存在
我们就说
它是可导的
否则就说函数在这点不可导
另外请大家注意
从可导
和导数的定义
我们可以看出
函数的可导性
应该是函数的一个
点性质
也就是所谓的
局部性质
所以说
如果
我们知道函数在某一点可导
那么
即使其它的点
与这一点非常接近
我们也
得不到
其它点的可导性
我们看一个例子
例如
函数f(x)
x是有理数时它的函数值
就是x的平方
x是无理数时
它的函数值
就等于0
大家可以用导数的定义
证明
这个函数
在x等于0这点
它的导数
是存在的
导数值
是等于0的
而这个函数
在其它任何一个
不等于0的点处
它的导数
都是不存在的
我想
这个函数
它就说明了
函数
它的可导性
确实是一个点性质
下面
我们看一个具体的例子
我们用定义
求函数f(x)等于ax加b
在任一点的导数
我们假设x0
是任意的实数
因为
这个函数
在x0这点的函数值的改变量
与自变量改变量的比值
在自变量改变量
趋向于0时的极限
也就等于
a乘上△x
比上△x
在△x趋向于0时的极限
所以说
这个极限值
就等于a
这样
也就说明了
这个函数
在x0这点是可导的
而且
它在x0这点的导数值
就等于a
事实上
在这个例题中
因为我们的函数
是一个一次函数
那么
大家根据前面
我们讨论过的
曲线的切线那个例子
我们应该知道
从几何上看
这个函数
它在任何一点的导数值
应该
就是这条直线
它的斜率
自然也就是a
下面
我们看另外一道例题
我们用定义
求指数函数f(x)
等于a的x次方
在任一点的导数
我们假设x0是任意实数
对指数函数来说
它在x0这一点的
函数值的改变量
与自变量改变量的比值
在自变量改变量趋向于0时的极限
应该就等于
a的x0次方
再乘上
a的△x次方减1
除上△x
在△x趋向于0时的极限
这个极限
在我们前面
讨论重要极限时
已经求出了它的值
所以
我们最后的极限值
应该就是
a的x0次方再乘上a自然对数
这说明
这个函数
在x0这点
是可导的
而且
它在x0这点的导数值
就是
a的x0次方乘上
a自然对数
特别的
如果对指数函数来说
当底数
等于e时
我们知道
e的x次方
它在任何一点的导数
都等于
它在相应点的函数值
这个性质
应该说
是所有函数里面
独有的
也就是说
对于非0函数来说
在任何一点
函数值
与导数值相等
这样的函数
只有f(x)
等于e的x次方
下面
我们用定义
求一下
对数函数
在x0
x0大于0时的导数
对自然对数函数来说
它在x0这点的
函数值的改变量
与自变量改变量的比值
在自变量改变量趋向于0时的极限
应该就等于
x0分之一
再乘上
1加上x0分之△x
它的自然对数
再除上
△x除上x0
在△x趋向0时的极限
而这个比值的极限
在我们前面
求重要极限时
也曾经知道它的结果
所以说
我们最后的极限值
就是x0分之一
也就是说
自然对数这个函数
在任意的
大于0的
x0处都是可导的
而且
它的导数值
就是x0分之一
下一个例子
我们用导数定义
求正弦函数
在任一点的导数
我们假设
x0是任意的实数
对sin x这个函数来说
它在x0这点的
函数值的改变量
也就是sin x0加△x
减掉sin x0
我们利用
正弦函数的和差化积公式
这个差
可以表示成
两倍的cos x0加上二分之△x
再乘上sin二分之△x
所以
我们要求的
函数值的改变量
与自变量的改变量
在△x趋向于0时的极限
也就是要求
cos x0加上二分之△x
再乘上sin二分之△x
除上
二分之△x
在△x趋向于0时的极限
我们根据
前面介绍的
第一个重要极限
我们就知道
这个表达式的极限值
就等于 cos x0
这说明
正弦函数
在x0这点是可导的
而且
它在x0这点的导数值
就是cos x0
利用同样的方法
我们可以求出
余弦函数
在任何一点
都是可导的
它在任何一点的导数值
正好是
相应点的
正弦的负值
也就是
cos x的导数等于负的sin x
下面
我们来介绍一下
函数在一点的单侧导数
因为
函数在一点的导数
是利用极限定义的
函数在一点
它的极限
我们曾近讨论过
左极限
和右极限
那么对于函数的导数来说
我们也有
对应的左导数
和右导数的定义
下面
我们直接给出
单侧导数的定义
我们假设
函数y等f(x)在
x0减δ到x0
这个半开半闭的区间内有定义
如果
函数在x0这点的
函数值的改变量
比上自变量的改变量
在x小于x0
趋向x0时的极限存在
那么
我们就称
函数在x0这点
是左可导的
这个极限值的大小
就称为
函数f(x)在x0处的左导数
左导数的记号
就是在导数的基础上加一个下标
负号
类似的
我们可以定义
函数在xo这点的右导数
我们假设
函数y等f(x)
在x0及其右侧附近
有定义
如果
f(x)减掉f(x0)比上
x减x0
在x大于x0趋向x0的极限
存在
我们就说
函数
在x0这点是右可导的
极限值的大小
就称作是
函数f(x)在x0这点的
右导数
右导数的记号
就是在导数的基础上
加一个下标
正号
我们在一点
给出了函数的导数
和左右导数的概念
根据极限
与左右极限的关系
我们直接
就可以得到下面一个定理
定理1
我们设函数f(x)
在x0的某个邻域内有定义
那么
f(x)在x0这点可导
而且导数值
等于a的充分必要条件是
函数f(x)
在x0这点
既是左可导的
又是右可导的
而且
它的左导数等于a
同时
右导数也等于a
这个结论
就是我们讨论
函数在一点是否可导的
理论根据
也就是说
我们讨论函数在一点是否可导
就是要求
它的左导数是否存在
右导数是否存在
而且
左右导数值是否相等
如果函数
f(x)在某个开区间内
每一点都可导
我们就说
函数f(x)在这个开区间上
是可导的
这个时候
在开区间中的每一点
都有
唯一的导数值与它对应
所以
我们有时候
也称f一撇x就是f(x)
在区间a b上的导函数
如果
函数f(x)
在开区间a b内
每一点都可导
而且
在a这点是右可导的
在b这点是左可导的
我们就说
函数f(x)
在闭区间
a b上是可导的
f一撇x也称为
这个函数
在闭区间上的导函数
下面
我们看一道例题
我们假设
f(x)是一个分段函数
它在0到1这个闭区间上
函数值就等于根下x
而在
1到正无穷这个开区间内
它的函数值就等于x
我们证明这个函数
在x等于1这点
是不可导的
我们先求
这个函数在1这点
它的左导数
是否存在
我们看一下
f(x)减掉f(1)
比上x减1
在x小于1趋向1的极限
这个时候
也就是要求
根下x减1
除上x减1
在x小于1趋向1时的极限
这个极限值
我们求出
是等于二分之一的
同时
我们来看一下
f(x)减f(1)
比上x减1在
x大于1趋向于1时的极限
这个极限
我们求出
它是等于1的
也就是说
这个函数
在1这点的左导数是存在的
它的值
等二分之一
在1这点的右导数
也是存在的
它的值
是等于1的
因为
左右导数不相等
所以
这个函数
在x等于1这点
是不可导的
我们看
下一道例题
这是关于函数的
一个一般性质
我们假设
f(x)是定义在实轴上的
可导的周期函数
周期是t
我们证明
它的导函数
也是定义在实轴上的
周期函数
周期也是t
根据条件
我们知道
函数f(x)在每一点都是可导的
所以
它的导函数的定义域
也是整个实轴
我们假设
x0是任意的实数
因为函数
在x0这点可导
所以
它在x0这点的
函数值的改变量
与自变量改变量的比值
在自变量改变量趋向于0时
它的极限
就是f一撇x0
由于f(x)它是以t
为周期的周期函数
所以
函数f(x)在
x0加t这点的函数值的改变量
与自变量改变量的比值
在自变量改变量趋向于0时的极限
也就等于
函数在x0这点的
函数值的改变量
与自变量的改变量的比值
在自变量改变量
趋向于0时的极限
也就等于f一撇x0
这个等式
就说明函数
在x0加t这点的导数值
与函数在x0这点的导数值是相等的
这样我们也就证明了
它的导函数
在整个实轴上
是以t为周期的
周期函数
好 下面我们来看
最后一道例题
这也是函数的一个基本性质
我们假设f(x)是定义在实轴上的
可导奇函数
我们来证明
它的导函数f一撇x
是实轴上的偶函数
因为
f(x)在整个实轴上可导
所以
它的导函数定义域
也是整个实轴
我们假设
x0是任意的实数
因为
函数在x0这点可导
所以
它在x0这点的
函数值的改变量
与自变量改变量的比值
在自变量改变量趋向于0时
它的极限就等于f一撇x0
考虑到f(x)是奇函数
所以
函数在负x0这点的
函数值的改变量
与自变量改变量的比值
在自变量改变量趋向于0时的极限
也就等于f(x0)加上
负的△x
再减掉f(x0)
除上负的△x
在△x趋向于0时的极限
因为
函数在x0这点可导
所以
这个极限值
就是f在x0这点的导数值
这样我们就证明了
函数在负x0这点的导数值
与它在x0这点的导数值是相等的
所以导函数是一个偶函数
在这一讲中
我们学习了
函数在一点可导的概念
函数在一点
它的导数
与左右导数的定义
知道了
导数绝对值的大小
是函数在一点的变化率
反映的是
函数值在一点
随着自变量变化
而变化的快慢
我们也知道
如何利用
导数定义
和利用导数
与左右导数的关系
研究简单函数
在一点的可导性
知道了
函数在一个区间上可导的含义
和导函数的定义
在下一讲中
我们将要介绍
导数的几何意义
介绍函数在一点可导
与连续的关系
谢谢同学们
下一讲 再见
-0.1 绪论
--0.1.1 绪论
-1.1 极限概念引例
--第1.1节测试 极限概念引例
-1.2 极限的概念
--第1.2节测试 极限的概念
-1.3 极限的性质
--第1.3节测试 极限的性质
-1.4 极限的运算
--第1.4节测试 极限的运算
-1.5 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(1) 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(2) 夹逼定理与单调有界收敛定理
-1.6 两个重要的极限
--第1.6节测试 两个重要的极限
-1.7 无穷小量
--第1.7节测试 无穷小量
-2.1 连续函数的概念
--第2.1节测试 连续函数的概念
-2.2. 初等函数的连续性结论
--第2.2节测试 初等函数的连续性结论
-2.3 连续函数的性质
--第2.3节测试 连续函数的性质
-3.1 导数与导函数
--第3.1节测试 导数与导函数
-3.2 微分
--3.2.1 微分
--第3.2节测试 微分
-3.3 导数的运算
--第3.3节测试 导数的运算
-3.4 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--3.4.1 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--第3.4节测试 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
-3.5 高阶导数
--第3.5节测试 高阶导数
-4.1 极值和极值点
--第4.1节测试 极值和极值点
-4.2 微分中值定理
--第4.2节测试 微分中值定理
-4.3 洛必达法则
--第4.3节测试(1) 洛必达法则
--第4.3节测试(2) 洛必达法则
-4.4 函数单调性的判定
--第4.4节测试 函数单调性的判断
-4.5 函数的极值及其求法
--第4.5节测试 函数的极值及其求法
-4.6 函数的最值及其应用
--第4.6节测试 函数的最值及其应用
-4.7 曲线的凸性和拐点
--第4.7节测试 函数的凸性和拐点
-4.8 曲线的渐近线
--第4.8节测试 曲线的渐近线
-4.9 泰勒(Taylor)公式
--第4.9节测试 泰勒公式
-4.10 原函数与微分方程初步
--第4.10节测试 原函数与微分方程初步
-5.1 定积分问题举例
-5.2 定积分的概念
--第5.2节测试 定积分的概念
-5.3 定积分的基本性质
--第5.3节测试 定积分的性质
-5.4 微积分基本定理
--第5.4节测试 微积分基本定理
-5.5 定积分的几何应用
--第5.5节测试 定积分的几何应用
-5.6 定积分的物理应用
-6.1 换元积分法
--第6.1节测试 换元积分法
-6.2 分部积分法
--第6.2节测试 分部积分法
-6.3 有理函数的积分法
--第6.3节测试 有理函数的积分法
-6.4 定积分应用举例
--第6.4节测试 定积分应用举例
-6.5 反常积分
--第6.5节测试 反常积分
-7.1 无穷级数
--第7.1节测试 无穷级数
-7.2 正项级数
-7.3 比值判敛法和根式判敛法
--第7.3节测试 比值判敛法和根式判敛法
-7.4 一般项级数
--第7.4节测试 一般项级数
-7.5 幂级数
-7.6 函数的幂级数
--第7.6节测试 函数的幂级数
-7.7 泰勒级数
--第7.7节测试 泰勒级数
-7.8 幂级数的简单应用
-8.1 一阶可求解常微分方程
--第8.1节测试 一阶可求解常微分方程
-8.2 一阶线性微分方程
--第8.2节测试 一阶线性微分方程
-8.3 二阶线性常系数微分方程
--第8.3节测试 二阶线性常系数微分方程
-8.4 常系数微分方程简单应用举例
-期末考试
--期末考试说明
-期末考试--期末考试