当前课程知识点:微积分(先修课) > 第三章 导数与微分 > 3.2 微分 > 3.2.1 微分
同学们 大家好
欢迎来到大学先修课微积分课程
今天我们介绍第三章
导数与微分
第二节
微分的概念
我们知道
导数绝对值的大小
反映的是函数值
在某点处变化的快慢
为了刻画函数的这个性质
我们也可以从另外的一个角度入手
也就是要考虑函数值的改变量
与自变量改变量之间的关系
为了给出利用自变量的改变量
求得函数值改变量的简单方法
就导致了微分概念的出现
在这一讲中
我们将介绍函数在一点可微
和微分的概念
介绍函数在一点可导
与可微的关系
并给出微分的计算公式
也是微分的几何意义
下面我们来看
函数在一点微分的概念
先看两个例题
第一个例子
我们看边长为x的正方形
如果它的边长增加了Δx时
那么它的面积
就增加了ΔA
而ΔA=(x+Δx)^2-x^2
也就等于2x乘上Δx
加上Δx的平方
从图上就可以看出
2x乘上Δx实际就是图中
两个小长方形面积之和
而Δx的平方就是这个图中
右上角小正方形的面积
也就是说在这
这个面积的改变量
实际是由两部分构成
一部分是自变量改变量的一次方部分
而另外一部分
与自变量的改变量做比
在自变量改变量趋向0时
极限等于0
也就是说另外一部分
是自变量改变量的高阶无穷小部分
在Δx足够小时
我们知道
面积的改变量可以近似地等为
2x乘上Δx
下面
我们看另外一个例子
我们知道自由落体运动
它的下落高度及下落时间
它们之间的关系式
s=1/2*g*t方
其中g是重力加速度
那么从时刻t到时刻t+Δt
物体下落的高度Δx
就等于gt乘上Δt加上
1/2*g乘上Δt^2
与例1中面积的情况是类似的
在这个问题中
物体下降的高度Δx
同样是由两部分构成的
一部分是gt乘上Δt
这是Δt的一次项
另外一部分
是1/2*g乘上Δt的平方
这一部分它除上Δt之后
在Δt趋向于0时的极限
也是等0的
也就是说第二部分
仍然是Δt的高阶无穷小
当Δt足够小时
我们知道物体的下降高度
就近似地等于gt乘上Δt
在上面我们讨论的两个问题中
一个是平面几何中的面积问题
一个是运动学中的距离
与时间的关系问题
尽管它们的背景
是不同的
但我们得到的结论却是相似的
也就是说函数值的改变量
可以表示成
自变量改变量的一次项部分
与自变量改变量的高阶无穷小部分之和
在这两个问题中
出现的自变量的改变量的一次项部分
实际上就是相应函数的微分
下面我们对于一般的函数
给出函数在一点可微
和函数在一点微分的定义
定义3
我们假设y=f(x)
在x0的某个邻域内有定义
如果函数f(x)
在x0这点的改变量Δf(x0)
可以表示成自变量改变量的
一次项部分
与自变量改变量的高阶无穷小之和
也就是说
Δf(x0)可以写成a(x0)乘上Δx
再加上o(Δx)
如果这样
我们就称函数f(x)
在x0这点是可微的
那么a(x0)乘上Δx这个值的大小
就称为是f(x)在x0处的微分
函数在x0点的微分
我们记作df(x0)
或者是dy|x=x0
从定义我们可以看出
函数在一点的微分
是一个值
这个值的大小
反映的就是函数在这一点
函数值改变量的一个近似值
它与函数值改变量的差
是自变量改变量的高阶无穷小
下面我们利用函数在一点可微
和微分的概念做几个具体的题目
例3
我们求函数y=x的3次方
在x0这点的微分
对x的3次方这个函数来说
它在x0这点的函数值的改变量
我们可以写成
3倍的x0平方乘上Δx
加上3倍的x0乘上Δx的平方
再加上Δx的3次方
在这个表达式中
后面两项
也就是
3倍的x0乘上Δx的平方
加上Δx的3次方
它们与Δx的比值
在Δx趋向于0时
极限是等0的
也就是说
后边两项它们加起来
仍然是Δx的高阶无穷小
所以x的3次方这个函数
它在x0这点的函数值的改变量
就可以表示成3倍的x0平方
乘上Δx加上o(Δx)
那么根据函数在一点可微
和微分的定义
我们知道这个函数在x0这点的微分值
就等于3倍的x0的平方乘上Δx
第4个例题
我们来求一下
指数函数y=e的x次方
在x0这点的微分
因为这个指数函数
在x0这点的函数值的改变量
也就等于e的x0次方
乘上(e的Δx次方减掉1)
而且我们知道(e的Δx次方-1)
除上Δx
在Δx趋向于0时的极限是等于1的
根据极限和无穷小的关系
也就是这个比值应该等于
它的极限值1加上一个无穷小量
所以指数函数在x0这点的
函数值的改变量
Δy就等于e的x0次方
乘上Δx加上一个无穷小量
o1乘上e的x0次方再乘Δx
在这两项中第二项
我们知道除上Δx之后
极限仍然是0
所以函数值的改变量
也就表示成了e的x0次方乘上Δx
再加上自变量改变量的高阶无穷小
那么根据函数在一点可微的定义
我们知道指数函数在x0这点的微分值
就等于e的x0次方乘上Δx
下面我们求一下自然对数这个函数
在大于0的点x0处的微分
因为这个函数在x0这点的
函数值的改变量
利用对数的运算性质
我们可以得到
它是(1+Δx/x0)
它的自然对数
而且我们知道这个自然对数
除上Δx/x0
在Δx趋向于0时的极限
是等于1的
所以利用极限与无穷小的关系
我们知道
这个比值是等于1
再加上一个无穷小量
这样我们就得到
自然对数这个函数
在x0这一点的函数值的改变量
就等于1/x0乘上Δx
再加上o Δx
也就是说对数函数
在x0这点的微分值
就等于1/x0乘上Δx
在前面我们考虑的几个例子中
我们可以看出
如果我们仅是从
函数在一点可微
和微分的定义出发
来讨论一个具体函数
在一点是否可微
它的微分值等什么
应该说是比较困难的
因为我们很难
把一个一般函数
在两点函数值的差
表示成自变量改变量的
一次项部分
和自变量的改变量的
高阶无穷小部分之和
那么对于一般的函数来说
我们怎么讨论它在一点是否可微
怎么求它在一点的微分值
这就是下面我们要讨论的第二个问题
函数在一点可微与可导的关系
微分的计算公式
关于函数在一点可微与可导
的关系以及微分的计算公式
我们有下面这个结论
定理3
我们设函数f(x)
在x0的某个邻域内有定义
那么f(x)在x0这点可微的
充分必要条件就是
函数f(x)在x0这点是可导的
而且它在x0这点的微分值
就等于它在x0这点的导数值
乘上自变量的微分
下面我们来看这个定理的证明
在这个定理中
正好牵扯到了微分学中的两个最基本概念
也就是说
什么叫函数在一点是可导的
什么是函数在一点是可微的
我们先看这个定理中必要性的证明
这时候Δf(x0)是等于
ax0乘上Δx
再加上o Δx
所以Δf(x0)比上Δx
在Δx趋向于0时的极限
也就等于a(x0)+oΔx/Δx
在Δx趋向于0时的极限
在这两项中a(x0)是一个相对于
Δx来说是常数
而第二项根据高阶无穷小的概念
极限应该是0
所以我们这个比值的极限就等于a(x0)
也就是说f(x)在x0这点是可导的
而且导数值就是a(x0)
我们根据微分的定义
就知道df(x0)=f’(x0)
乘上Δx
下面我们看这个定理中
充分性的证明
这时我们知道函数f(x)
在x0处是可导的
也就是函数值的改变量
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
是f’(x0)
那么从这个条件出发
我们就知道
f(x0)加Δx减掉f(x0)
再减掉f’(x0)乘上Δx
除上Δx之后
让Δx趋向于0取极限
这个极限值在给定条件下是等于0的
也就是说
在这个比值中
分子是分母Δx的高阶无穷小
所以我们就知道
在给定条件下
f(x0+Δx)
减掉f(x0)就可以表示成
自变量的改变量的一次项部分
也就是f’(x0)乘Δx
再加上自变量改变量的高阶无穷小部分
根据函数在一点可微的定义
我们就知道
这时f(x)在x0这点是可微的
而且它的微分值就等于导数值乘上Δx
如果x本身是自变量
那么根据我们刚得到的微分计算公式
我们知道dx就等于x’乘上Δx
也就等于Δx
也就是说
对自变量来说
它的微分值与改变量是准确相等的
所以
我们就有
df(x)等于f’(x)乘上Δx
也就等于f’(x)乘上dx
这就是我们常用的微分计算公式
在这个公式中df表示的
是函数值的微分
dx表示的是自变量的微分
将这个公式进行变形
我们就得到
函数在一点的导数值等于函数
在一点的微分值除上自变量的微分
也就是说导数值等于两个微分的商
所以我们有时候也称导数是微商
下面我们来介绍一下微分的几何意义
请大家看我们的图形
在这个图中我们知道曲线y=f(x)
在(x0,f(x0))这一点它的切线方程是
y=f(x0)+f’(x0)(x-x0)
我们把这个等式进行简单的变形
就会得到y-f(x0)=f’(x0)(x-x0)
根据微分的计算公式我们知道
在这个等式的右端就是函数
在x0这点的微分值
这个等式说明函数在一点的微分值
就等于对应的曲线在相应点的切线
它上面纵坐标的改变量
一般地
我们用微分作为函数值改变量
它的近似值
实际上
就是将一个非线性问题
变成一个线性问题的方法
也就是说一个非线性函数f(x)
在x0这一点附近
可以用f(x0)+f’(x0)(x-x0)
来近似的表示
从几何上看
也就是说曲线在一点附近
可以用这点的切线来近似
前面我们再介绍函数导数定义时
我们知道曲线在一点的切线斜率
是f’(x0)
它在这点与切线平行的一个向量
两个分量是1和f’(x0)
那么根据
我们刚得到的微分计算公式
我们知道
自变量的微分
和函数值的微分做分量
构成的平面向量
就平行于曲线
在相应点的切线
所以有了微分之后
我们用切线的方向向量式
经常写成(dx,dy)
下面我们利用微分的概念
来求两个数的近似值
第一个例子
也就是例6
我们利用微分求2.002的3次方
的一个近似值
对这个数值来说
我们考虑函数f(x)=x的3次方
这个函数的微分我们知道
是3倍x的平方乘上Δx
根据微分的定义
我们知道f在2.002这点的值
与它在2这点值的差
应该约等于它在2这点的微分
所以我们要求的2.002的3次方
也就是这个函数
在2.002这点的值
它就约等于这个函数在2这点的值
加上它在2这点的倒数值
再乘上2.002减2
最后的结果也就是
2的3次方加上3倍的2的平方
再乘上0.002
就等于8.024
下面我们看第二个例子
也就是例7
我们利用微分的概念求根下9.01
的一个近似值
对于这个值我们考虑函数f(x)=根下x
那么
这个函数在x这点的微分
就等于1/2倍的根下x
再乘上Δx
因为根下9.01
我们可以表示成3倍的
根下1+9分之0.01
它与前面这个函数的关系
就是3倍的这个函数
在1加上9分之0.01这点的值
那么根据微分的定义
我们知道这个函数
在1加上9分之0.01这点的值
就约等于他在1这点的值
加上它在1这点的导数值
再乘上9分之0.01
所以我们最后求出的
根下9.01的值也就约等于
3加上6分之0.01
也就等于3.0017
在这一讲中
我们介绍了函数在一点
可微的概念和微分的定义
介绍了函数在一点
可导与可微的关系
并得到了微分的计算公式
了解了微分的几何意义
通过学习
我们知道函数在一点可微
指的是在该点函数值的改变量
可以近似地表示成自变量
改变量的一次函数
两值误差是自变量改变量的高阶无穷小
事实上微分思想
就是将非线性问题
转化为线性问题
是一种线性化的方法
微分在几何上
就是将曲线在切点附近
用它的切线代替
是一种化曲为直的方法
对于一元函数来说
在一点可导与可微是等价的
有了微分与导数的关系
微分运算问题主要的
就变成了导数的运算问题
在下一讲中
我们将介绍
导数的运算法则
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