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导数的概念

下一节:单侧导数、可导与连续的关系

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导数的概念课程教案、知识点、字幕

前面我们介绍了函数在一点的极限

和函数在一点的连续性

我们知道

所谓函数在一点的极限

反映的是说

当自变量x越来越趋向一个固定点x0时

它对应的函数值

f(x)越来越趋向于一个固定值

而且可以无限接近这个固定值

而函数在一点的连续性

说的是

函数它对应的函数值

不仅是越来越接近一个固定值

而且这个固定值就是函数在x0那点的函数值

接下来我们来介绍一下

微分学中的另外两个重要概念

这是我们第四章要介绍的内容

导数与微分

就是说如果说函数在一点的极限和连续

是从定性的角度反映了

函数值随着自变量的变化而变化的性质

那么导数与微分

应该就是从定量的角度来反映

当自变量变化时

函数值的变化速度有多快

接下来我们先看一下第一节的内容

也就是介绍一下导数与微分的概念

我们先看两个简单的例子

在中学里面我们对平面上的直线

应该是比较熟悉的

比如说一条方程为y等于kx加上b的直线

现在我来问一下当横坐标是x0

和横坐标是x0加上Δx这两点知道之后

我怎么样利用这两点的坐标

来求这条直线的斜率

或者我们换一句话来说

我怎么样利用这两点的函数值

来确定一下

这个函数在这一段上关于自变量的变化率

实际上我们知道

k应该就等于Δy比上Δx

其中Δy是x0这点的函数值与x0加上Δx这点函数值之差

这样我们就做一个简单运算

得到了这一段上的函数值的变化率

因为它是一条直线

我们知道

这个变化率

也是函数在每一点的变化率

这是一个简单例子

再比如说

我们有一个匀速运动物体

我知道它在t时刻它走过的距离

应该用s等于s(t)来表示

然后如果我来问一问

它在t0时刻和t0加Δt时刻之间

它的平均速度

那大家知道就是这个时间段上走过的距离

除上这个时间长

就是它的平均速度

而且因为它是匀速运动

我们还知道

这个平均速度

也是它在每一个时刻的速度

接下来

我们如果讨论的物体

不是直线也不是匀速运动

而是我们说

对于平面上的一条曲线来说

它的方程我们用y等于f(x)表示

现在我也牵扯到横坐标分别为

x0和x0加Δx这两点

它的纵坐标之差我们仍然用Δy来表示

或者是用Δf来表示

我们问第一个问题

就是说在这一段上

函数值相对自变量的平均变化率是什么

那你知道

平均变化率就指的Δy比上Δx

也就是在横坐标发生了改变之后

纵坐标的改变量知道了

那么纵坐标的改变量比上横坐标的改变量

就是我要求的这个平均变化率

但因为这个时候它是一个曲线

所以这时候我们不能说

在这一段上的平均变化率

与某一点的变化率是一样的

如果我们要想问

函数在x0这点的变化率是什么

那当然从图上我们可以看出

只要这两点充分接近

我们得到的这个平均变化率

就应该能够很好的反映

函数在这一点的变化情况

从理论上讲

根据我们前面介绍过的极限概念

如果我们让Δx趋向于0时

这个比值的极限存在

那么这个比值的极限的大小

就应该反映的是

函数在x0这一点

函数值关于自变量的变化率

类似的如果我们处理的是

一个非匀速运动物体

我们知道s(t0加上Δt)减掉s(t0)再除上Δt

仍然是这个运动物体

从t0时刻到t0加上Δt时刻之间它的平均速度

如果我们要求它在t0时刻的瞬时速度时

我们自然可以考虑

就是说当Δt趋向于0时

这个比值的极限

实际上在许多问题里面我们都会碰到处理说

当自变量有了变化时

函数值也有变化

这个平均变化率

在自变量它的改变量趋向0时

它有没有极限的问题

实际上在数学上

我们把它抽象出来

就处理成一个函数在一点有没有导数的问题

那我们看一下导数的定义该怎么叙述

导数定义

我们这样说我假设f(x)在x0及其附近

是有定义的

如果我们这个极限

也就是Δx趋向于0时

f(x0加Δx)再减掉f(x0)除上Δx

如果这个极限存在

那我们就称

这个函数f(x)在我们考虑的这一点x0处

是可导的

然后这个极限值就称为

这个函数在x0这点的导数值

简称为导数

然后我们给导数一个记号

如果我们这个函数是f(x)

我们可以把这个导数写成f一撇

然后为了体现是在x0这点的导数值

后面加上x0

我们读的时候就说

f的导数在x0这点的值就可以了

实际上这是法国数学家拉格朗日

引进的一个记号

我们还有这个记号

说df/dx,为了体现是在x0这点的导数值

也可以这样表示

当然在不至于去混淆的情况下

也可以表示成df/dx把x0放到这儿

这个记号也是我们微积分常用的

这实际上就是莱布尼兹引进的记号

当然导数的记号还可以这样表示说f一点

然后这个记号尽管就是引进的人是大名鼎鼎

但现在在数学里面

这个记号

不是太常用

我想这记号无所谓好坏

只是一个习惯问题

就是这是牛顿引进的记号

那我们在以后的课程里面

我们更常用的应该是这两个记号

那我们从导数的定义知道

导数值的大小

当然反映的就是函数在一点

函数值随着自变量的变化而变化的快慢

如果我们的导数值是大于0的

当然意味着函数在这点

随着自变量的增加

它的函数值也是增加的

而如果我们的导数值是小于0的

自然反映的是

函数随着自变量的增加函数值反而是减少的

我想这是从导数定义我们能看出来的东西

关于导数我们需要再强调的一点是

他是说在这一点可导

那么他应该是一个点性质

这与我们前面介绍的

函数在一点连续这个性质是一样的

也就是说函数在一点可导

能不能保证函数在这点附近其他点的可导性

从定义来讲我们得不到任何线索

我给大家写一个例子

比如说f(x)等于x平方x属于有理数时

x是无理数时它的函数值等于0

那我就问这个函数

我们能不能用定义来讨论它在0这点的可导性

也就是说我用定义来讨论

这个极限是不是存在

x趋向于0[f(x)减掉f(0)]再除上x

实际上大家看

这个地方我们也就是处理成了这两种情况

一种情况也就是如果我们的x是有理数

有理数的时候

这时候我们的f(x)是x的平方

f(0)当然是等于0再除上x

这个时候它是等于0的

再一个如果我们的x是无理数

它如果趋向于0的时候

它是无理数它的函数值是0

f(0)也等于0

这个时候它还是等于0的

也就是无论f(x)是以有理数

还是无理数的方式趋向于0

我们知道这个比值的极限都是0

根据前面我们介绍的函数极限的性质

我们就说清楚了这个比值的极限

它就是存在的

而且它的值就是0

换句话说

这个函数在0这点导数是有的

导数值等于0

那接下来

就请大家自己做一下

这个函数在x不等于0时

按定义

你来讨论它是不是可导

我的结论是

这个函数除了x等于0这一点之外

在其他任何一点都是不可导的

我想通过这个例子

给大家强调一下

它是个点性质

接下来我们利用导数

来求几个简单函数的导数值

比如说第一个也就是y=C

常函数求导

这个我们用导数定义

也就是它在任何一点的导数

我们可以这样来定义

也就是Δx趋向于0

它在x+Δx那点的值自然是C

再减掉它在x那点的值还是C

再除上Δx

所以说对常函数来说

它在任何一点都是可导的

导数只应该等于0

这个实际你不用去求

你也应该知道

导数干什么

导数是反映函数值

随自变量变化而变化的快慢

作为常函数来说

当然无论自变量怎么变化

它值总是个常数

所以说它的变化速度等于0

这是很显然的一个结论

接下来第二个例子我们来看一下

如果y等于x的n次方n是正整数

我们看它在任何一点x处是不是可导

如果可导的话导数等于什么

也就是我们要求一下这个东西

按照定义它应该等于Δx趋向于0

(x加上Δx)的n次方

减掉x的n次方再除上Δx

上面我们用一下二项式定理做展开

也就写成Δx趋向于0

这是x的n次方加上n倍的x的(n-1)次方乘Δx

再加上二分之n(n减1)

这边是x的(n-2)次方(Δx)的平方再加...

然后最后加上的是(Δx)的n次方

再减掉x的n次方

再除上Δx

那我们这样做完之后

x的n次方跟后面这个x的n次方消掉

那大家看一下在剩下的其他项里面

第一项与Δx消掉之后

剩下的是n乘上x的(n-1)次方

除此之外其他项与分母的Δx消掉之后

至少还有Δx的一次方

换句话说在这些项里面

当Δx趋向于0时

除了n乘上x的(n-1)次方这一项之外

其他的极限都是0

所以说我们就得到了这个比值的极限

应该是n乘上x的(n-1)次方

这样我们就证明了在n是正整数时

这个函数在任何一点都是可导的

而它的导数值的大小

就应该是n乘上x的(n-1)次方

然后第三个函数y等于a的x次方

a是大于0不等于1的

也就是所谓的指数函数

我们用定义域

它的导数值应该就等于Δx趋向于0

[a的(x+Δx)次方减掉a的x次方]除上Δx

在这个地方我们做个简单变形

也就是a的x次方乘上

Δx趋向于0[a的(Δx)次方减掉1]除上Δx

请大家回忆一下

我们是不是在介绍重要极限时

曾经给出了这么一个极限结果

也就是说这个比值的极限

是不是应该是a的自然对数

那如果大家知道这个结论的时候

那我们最后这个极限值

就是a的x次方乘上a的自然对数

这也自然说明

指数函数在任何一点都是可导的

而它的导数值

应该就是a^x乘上a的自然对数

那接下来我们看一下对数函数

对数函数我们就看一个自然对数

说这个函数当然它的定义域是x大于0

我们就问它在x大于0的时候是不是可导

导数是什么

那用定义域它应该就是Δx趋向于0

x加上Δx的自然对数

减掉x的自然对数再除Δx

我们利用对数的运算性质

把这两个对数之差

改成第一个对数的真数

除上第二个对数的真数做对数

所以就写成了Δx趋向于0

然后这是1加上x分之Δx

它的自然对数再除Δx

那我们再想一下

在重要极限部分我们给了这么一个结果

也就是说如果我这个地方是x的时候

在Δx趋向于0的极限过程下

这个比值的极限应该就等于1

好我这里除了一个x

我自然这个地方应该写上一个x分之一

这样的时候

这个极限值就等于x分之一

这就说明对数函数在它定义域中的每一点

也是可导的

而且导数值是x分之一

接下来我们来介绍另外一个例题

这个例题就是说y等于sinx

它在它的定义域中的每一点导数是否存在

如果存在时导数值是什么

然后根据导数定义

我们也就是要求这个极限

Δx趋向于0时

sin(x加上Δx)减掉sinx再除上Δx

然后在前面我们处理sinx在一点的连续性时

我们曾经碰到过

sin(x加上Δx)减掉sinx这个形式

我们知道

我们利用一下三角函数的和差化积公式

我们这个分子

可以处理成

两倍的cos二分之(x加上Δx再加上x也就是2x加上Δx)

再乘上

sin(二分之(x加上Δx减上x))也就是sin(二分之Δx)

再除上Δx

利用前面我们介绍的第一个重要极限

也就是sinx比上x在x趋向于0时极限是1

我们把这个极限变形成下面这个形式

也就是cos(x加上二分之Δx)

再乘上sin(二分之Δx) 除上 (二分之Δx)

在Δx趋向于0时

这个因子极限是cos(x)

而这个因子根据重要极限极限是1

那么利用极限的乘法运算

我们知道这个极限值是cos(x)

这说明sinx在它定义域中的每一点都是可导的

而且它的导数值不是别的

就是cos(x)

这样我们就利用定义证明了

几个简单函数在定义域中

每一点它是否可导

如果可导时

导数值等于什么

最后我们再用导数定义做这么一个例题

也就是说如果函数f(x)在一点a的导数存在

而且导数值大于0

那我们证明则存在某一个δ大于0

使得下面这个不等式是对的

也就是f(x)应该是大于f(a)

只要x是属于a到a+δ

类似的f(x)应该是小于f(a)

只要x属于a-δ到a

那这个结论我们可以通俗的这样讲

也就是说只要函数在一点的导数值大于0

那么在这一点右侧附近

其他点的所有函数值

都应该比这一点的函数值来的大

而在这一点的左侧附近

其他点的函数值

都应该是比这一点的函数值来的小

那我们看一下怎么用导数定义来证明这个东西

我们的证明首先什么叫f一撇(a)

也就是根据导数定义

它应该等于x趋向于a

(f(x)减掉f(a))再除上(x减a)

应该是这个比值的极限

那我们的条件是给了极限值大于0

大家就想极限值大于0

你想告诉我什么

我们应该想到

极限有所谓的保号性质

极限值大于0

就是因为这个极限值是大于0的

所以根据保号性质

我一定能找到一个δ大于0

使得我这个表达式

(f(x)减掉f(a))除上(x减a)应该是大于0的

只要x是属于(a-δ到a)再并上(a到a+δ)

这是利用极限的保号性质得到的

有了这个不等式

实际上我们要证明的结论就出来了

因为大家看一下

如果x是在a的右侧的时候

分母是大于0的

分子自然大于0

这就是我们这个不等式

而在x在a的左侧时

分母是小于0的

整个比值要大于0

分子也要小于0

这就是下面这个不等式

这样也就是说

函数在一点的导数值的正负号

实际上是确定

能确定函数在这点附近

其他点的函数值

与这一点的函数值的大小关系

那我们提一个问题

这个问题就是说

我如果函数在一点导数大于0

我能否推出存在一个δ大于0

使得f(x)在(a-δ到a+δ)这个范围上是单增

也就是说

在知道了函数在一点导数值的正负号之后

能不能确定函数在这点附近它是单调函数

这个问题留给大家自己思考

微积分——极限理论与一元函数课程列表:

序言

-序言

--序言

第一章 实数与函数

-第一节 实数集的界与确界

--实数集的界

--实数集的确界

-第一节思考与练习

--思考题

--练习题

-第二节 函数的概念

--函数定义与函数图形

--分段函数与隐函数

-第二节思考与练习

--思考题

--练习题

-第三节 函数的运算

--函数的四则运算与复合运算

--函数的反函数

-第三节思考与练习

--思考题

--练习题

-第四节 函数的初等性质

--函数的有界性,奇偶性

--函数的周期性,单调性

--函数的凸性

-第四节思考与练习

--思考题

--练习题

-第五节 初等函数

--初等函数

-第五节思考与练习

--思考题

--练习题

-第六节 极坐标方程与参数方程表示的几种曲线

--极坐标系与点的极坐标,极坐标方程表示的几种曲线

--参数方程表示的几种曲线

第二章 极限论

-第一节 数列极限的概念与性质

--数列的概念,数列极限的概念(1)

--数列极限的概念(2)

--数列极限的性质及四则运算法则

--无穷大量

-第一节思考与练习

--思考题

--第二章 极限论--第一节思考与练习

-第二节 数列极限存在的充分条件

--数列极限存在的充分条件

--单调有界收敛定理

-第二节思考与练习

--思考题

--第二章 极限论--第二节思考与练习

-第三节 Bolzano定理与Cauchy收敛准则

--Bolzano定理与Cauchy收敛准则

--区间套定理与Bolzano定理

--Cauchy收敛准则

-第三节思考与练习

--思考题

--第二章 极限论--第三节思考与练习

-第四节 函数极限的概念与性质

--函数极限的概念

--函数极限的性质

-第四节思考与练习

--思考题

--第二章 极限论--第四节思考与练习

-第五节 函数极限的运算

--函数极限的四则运算与复合函数的极限

--夹逼定理与重要极限

-第五节思考与练习

--思考题

--第二章 极限论--第五节思考与练习

-第六节 无穷小量及其(阶的)比较

--无穷小量与无穷大量的概念与性质

--无穷小量的比较

-第六节思考与练习

--思考题

--第二章 极限论--第六节思考与练习

第三章 连续函数

-第一节 连续函数的概念与性质

--函数在一点连续的概念

--间断点的分类

--连续函数的性质

--连续函数的运算与初等函数的连续性

-第一节 思考与练习

--思考题

--第三章 连续函数--第一节 思考与练习

-第二节 闭区间上连续函数的性质

--闭区间上连续函数的性质

-第二节 思考与练习

--思考题

--第三章 连续函数--第二节 思考与练习

-第三节 函数的一致连续性

--一致连续的概念

--一致连续的必要条件

--闭区间上连续与一致连续的等价性

-第三节 思考与练习

--思考题

--第三章 连续函数--第三节 思考与练习

第四章 导数与微分

-第一节 导数与微分的概念

--导数的概念

--单侧导数、可导与连续的关系

--导数的几何意义

--微分概念

-第一节 思考与练习

--思考题

--第四章 导数与微分--第一节 思考与练习

-第二节 导数与微分的运算

--导数的四则运算

--复合函数的求导法(链导法则)

--反函数求导法

-第二节 思考与练习

--思考题

--第四章 导数与微分--第二节 思考与练习

-第三节 几种特殊函数的求导法、高阶导数

--几种特殊函数的求导法

--参数方程求导法与对数求导法

--高阶导数

-第三节 思考与练习

--思考题

--第四章 导数与微分--第三节 思考与练习

第五章 导数应用

-第一节 微分中值定理

--Fermat定理

--Rolle定理

--Lagrange中值定理

--Cauchy中值定理

-第一节 思考与练习

--思考题

--第五章 导数应用--第一节 思考与练习

-第二节 L'Hospital 法则

--0/0型不定式

--∞/∞型不定式

--其他形式的不定式

-第二节 思考与练习

--思考题

--第五章 导数应用--第二节 思考与练习

-第三节 函数的单调性与极值

--函数的单调性

--函数的极值

--函数最值的求法

-第三节 思考与练习

--思考题

--第五章 导数应用--第三节 思考与练习

-第四节 函数的凸性与拐点

--函数凸性的判别法

--拐点

--曲线的渐近性

-第四节 思考与练习

--思考题

--第五章 导数应用--第四节 思考与练习

-第五节 Taylor 公式

--带有Peano型余项的Taylor 公式

--带有Lagrange型余项的Taylor公式

--Maclaurin公式

--Taylor公式的应用(一)

--Taylor公式的应用(二)

-第五节 思考与练习

--思考题

--第五章 导数应用--第五节 思考与练习

第六章 原函数与不定积分

-第一节 概念与性质

--原函数的概念

--原函数存在的充分条件

--6-1视频纠正

--原函数存在的必要条件

--不同原函数之间的关系

--不定积分的概念与性质

--简单函数求不定积分

-第一节思考与练习

--思考题

--第六章 原函数与不定积分--第一节思考与练习

-第二节 换元积分法

--第一换元法

--第二换元法

-第二节思考与练习

--思考题

--第六章 原函数与不定积分--第二节思考与练习

-第三节 分部积分法

--分步积分法

-第四节 有理函数的积分

--四个特殊函数的不定积分

--有理分式函数的化简

--html

--有理分式函数的不定积分

--三角有理函数化成分式有理函数

--三角有理函数的不定积分

--第六章 原函数与不定积分--第四节思考与练习

-第五节 简单无理式的积分

--无理函数的有理化

--第六章 原函数与不定积分--第五节思考与练习

第七章 定积分

-第一节 积分概念与积分存在条件

--定积分的概念

-- 函数的可积性

--第七章 定积分--第一节思考与练习

-第二节 定积分的性质

--定积分的性质

--定积分性质的应用

-第三节 变上限积分与Newton—Leibniz公式

--变上限积分

--复合变限积分

--变限积分所定义的函数

--Newton-Leibniz公式

--定积分的计算

--第七章 定积分--第三节思考与练习

-第四节 定积分的换元积分法与分部积分法

--定积分的计算-换元法

--定积分的计算-分部积分法

--分段函数定积分的计算

--第七章 定积分--第四节思考与练习

-第五节 定积分的几何应用

--平面区域的面积

--曲线的弧长

--平面曲线的曲率

--旋转体体积与表面积

--第七章 定积分--第五节思考与练习

-第六节 定积分的物理应用

--物理应用简介

-第七节 反常积分

--反常积分

--非负函数无穷积分的收敛性

--一般函数无穷积分的收敛性

--其他无穷积分

--无界函数的反常积分---瑕积分

--无界函数、无界区间上的反常积分

--第七章 定积分--第七节思考与练习

第八章 级数

-第一节 数项级数的概念与性质

--8-1 数项级数的概念

--8-2 级数收敛的概念

--8-3 级数收敛的性质

--8-4 级数收敛的Cauchy准则

--8-5 正项级数的概念

--8-6 正项级数的比较判别法

--8-7 正项级数的比阶判别法

--8-8 正项级数的比值判别法

--第八章 级数--第一节 思考与练习

-第二节 正项级数的收敛判别法

--正项级数的根式判敛法

--正项级数的积分判别法

--第八章 级数--第二节 思考与练习

-第三节 任意项级数

--交错项级数

--交错项级数判敛举例

--绝对值判敛法

--绝对收敛与条件级数收敛的性质

--绝对收敛级数的交换律

--条件收敛级数的Riemann定理

--第八章 级数--第三节 思考与练习

-第四节 函数级数

--函数项级数的概念、逐点收敛性

--函数项级数的一致收敛性-概念

--函数项级数的一致收敛性-判断

--一致收敛的函数项级数和函数的分析性质(1)

--一致收敛的函数项级数和函数的分析性质(2)

--一致收敛的函数项级数和函数的分析性质(3)

--第八章 级数--第四节 思考与练习

-第五节 幂级数

--Abel判别法

--收敛半径与收敛域

--幂级数的分析性质

--无穷可导函数的幂级数展开

--幂级数求和

--第八章 级数--第五节思考与练习

-第六节 傅里叶级数

--三角函数的正交性

--奇函数与偶函数的形式Fourier展开和周期开拓

--其他函数的周期函数的形式Fourier展开

--Fourier级数的收敛性

--第八章 级数--第六节思考与练习

导数的概念笔记与讨论

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