4. 微分
4.1 微分和导数
考虑一个函数 y = f ( x ) y=f(x) y=f(x),当 x x x做一些微小的变动,函数值也会有微小的变动,比如: x → x + △ x x\to x+\bigtriangleup x x→x+△x,则 f ( x ) → f ( x + △ x ) f(x)\to f(x+\bigtriangleup x) f(x)→f(x+△x),函数值的变动用 △ y \bigtriangleup y △y来便是,即 △ y = f ( x + △ x ) − f ( x ) \bigtriangleup y =f(x+\bigtriangleup x)-f(x) △y=f(x+△x)−f(x)
【例】导出第一宇宙速度 7.9 km/s 7.9\text{km/s} 7.9km/s
画一个很大的球,有一个宇宙飞船绕地球做圆周运动,
它的速度永远是圆的切线方向,假设 △ t = 1 s \bigtriangleup t=1\text{s} △t=1s应该从A点跑到B点(没有地球引力的前提下),结果 △ t = 1 s \bigtriangleup t=1\text{s} △t=1s它从A点运动到C点(有地球引力),所以BC是自由落体的路程, BC = 1 2 g t 2 = 4.9 m \text{BC}=\frac{1}{2}gt^{2}=4.9\text{m} BC=21gt2=4.9m,,将 OA = OC = 6371000 m \text{OA}=\text{OC}=6371000\text{m} OA=OC=6371000m(近似为地球半径)
AB 2 = OB 2 − OA 2 = ( 6371000 + 4.9 ) 2 − ( 63710000 ) 2 \text{AB}^{2}=\text{OB}^{2}-\text{OA}^{2}=(6371000+4.9)^{2}-(63710000)^{2} AB2=OB2−OA2=(6371000+4.9)2−(63710000)2
所以 AB ≈ 7900 m \text{AB}\approx 7900\text{m} AB≈7900m
这相当于 y = f ( x ) = x 2 y=f(x)=x^2 y=f(x)=x2,考虑 x = 6371000 x=6371000 x=6371000, △ x = 4.9 \bigtriangleup x=4.9 △x=4.9, AB 2 = f ( x + △ x ) − f ( x ) \text{AB}^{2}=f(x+\bigtriangleup x)-f(x) AB2=f(x+△x)−f(x)
4.1.1 微分的定义
【定义4.1.1】 x 0 ∈ D f x_{0}\in\textbf{D}_{f} x0∈Df( f f f的定义域),若存在只与 x 0 x_{0} x0有关,与 △ x \bigtriangleup x △x无关的 g ( x 0 ) g(x_{0}) g(x0),使得当 △ x → 0 \bigtriangleup x\to 0 △x→0的时候, f ( x 0 + △ x ) − f ( x 0 ) = △ y = g ( x 0 ) △ x + o ( △ x ) f(x_0+\bigtriangleup x)-f(x_0)=\bigtriangleup y=g(x_{0})\bigtriangleup x+o(\bigtriangleup x) f(x0+△x)−f(x0)=△y=g(x0)△x+o(△x),则称 f ( x ) f(x) f(x)在 x 0 x_{0} x0可微,若 f ( x ) f(x) f(x)在区间 X \textbf{X} X的没一点可微,则称 f ( x ) f(x) f(x)在区间 X \textbf{X} X可微,将 g ( x 0 ) △ x g(x_{0})\bigtriangleup x g(x0)△x称为 △ y \bigtriangleup y △y的线性主要部分(线性主部),记 △ x \bigtriangleup x △x为 d x dx dx,若 f ( x ) f(x) f(x)在 x x x点可微,则有 △ y = g ( x ) △ x + o ( △ x ) , ( △ x → 0 , △ y → 0 ) \bigtriangleup y=g(x)\bigtriangleup x+o(\bigtriangleup x),(\bigtriangleup x\to 0,\bigtriangleup y\to 0) △y=g(x)△x+o(△x),(△x→0,△y→0),记 △ y \bigtriangleup y △y为 d y dy dy,并将上式写为 d y = g ( x ) d x dy=g(x)dx dy=g(x)dx(把高阶无穷小丢掉了)
【例4.1.1】 y = f ( x ) = x 2 y=f(x)=x^{2} y=f(x)=x2,对 ∀ x ∈ ( − ∞ , + ∞ ) , △ y = ( x + △ x ) 2 − x 2 = 2 x △ x + △ x 2 \forall x\in(-\infty,+\infty), \bigtriangleup y=(x+\bigtriangleup x)^{2}-x^{2}=2x\bigtriangleup x+{\bigtriangleup x}^{2} ∀x∈(−∞,+∞),△y=(x+△x)2−x2=2x△x+△x2,所以 y = f ( x ) = x 2 y=f(x)=x^{2} y=f(x)=x2在 ( − ∞ , + ∞ ) (-\infty,+\infty) (−∞,+∞)上可微,记为 d y = 2 x d x dy=2xdx dy=2xdx.
取 x 0 = 3 x_{0}=3 x0=3,在 x 0 = 3 x_{0}=3 x0=3这一点的微分表示是 d y = 6 d x dy=6dx dy=6dx
【例4.1.2】 y = f ( x ) = x 2 3 = x 2 3 y=f(x)=\sqrt[3]{x^2}=x^{\frac{2}{3}} y=f(x)=3x2=x32,定义域为 ( − ∞ , + ∞ ) (-\infty,+\infty) (−∞,+∞),考虑 f ( x ) f(x) f(x)在 x 0 = 0 x_{0}=0 x0=0是否可为微。
【解】 △ y = f ( 0 + △ x ) − f ( 0 ) = △ x 2 3 \bigtriangleup y=f(0+\bigtriangleup x)-f(0)={\bigtriangleup x}^{\frac{2}{3}} △y=f(0+△x)−f(0)=△x32,当 △ x → 0 \bigtriangleup x\to0 △x→0的时候, △ x 2 3 {\bigtriangleup x}^{\frac{2}{3}} △x32是比 △ x \bigtriangleup x △x的低阶无穷小,因而 △ y \bigtriangleup y △y不能写成 △ x \bigtriangleup x △x的线性项与高阶项之和,由可微的定义可知, y = f ( x ) = x 2 3 = x 2 3 y=f(x)=\sqrt[3]{x^2}=x^{\frac{2}{3}} y=f(x)=3x2=x32在 x = 0 x=0 x=0处不可微。它在 ( − ∞ , 0 ) (-\infty,0) (−∞,0)和 ( 0 , + ∞ ) (0,+\infty) (0,+∞)上可微。
【结论】需要注意的是,若函数 f ( x ) f(x) f(x)在 x x x处是可微的,那么当 △ x → 0 \bigtriangleup x \to 0 △x→0必有 △ y = f ( x + △ x ) − f ( x ) → 0 \bigtriangleup y=f(x+\bigtriangleup x)-f(x)\to 0 △y=f(x+△x)−f(x)→0( f ( x + △ x ) → f ( x ) f(x+\bigtriangleup x)\to f(x) f(x+△x)→f(x)),即 f ( x ) f(x) f(x)在 x x x处连续,所有我们有可微必定连续的结论,但是连续不一定可微,比如例4.1.2
4.1.2 微分与导数
若 y = f ( x ) y=f(x) y=f(x)在 x 0 x_0 x0可微,则 △ y = g ( x 0 ) △ x + o ( △ x ) , ( △ x → 0 , △ x ≠ 0 ) \bigtriangleup y=g(x_{0})\bigtriangleup x+o(\bigtriangleup x),(\bigtriangleup x\to 0,\bigtriangleup x\ne 0) △y=g(x0)△x+o(△x),(△x→0,△x=0),在这个式子两边除 △ x \bigtriangleup x △x,得到 △ y △ x = g ( x 0 ) + o ( △ x ) △ x \frac{\bigtriangleup y}{\bigtriangleup x}=g(x_0)+\frac{o(\bigtriangleup x)}{\bigtriangleup x} △x△y=g(x0)+△xo(△x),令 △ x → 0 \bigtriangleup x\to 0 △x→0,得到 lim △ x → 0 △ y △ x = g ( x 0 ) \lim\limits_{\bigtriangleup x\to 0}\frac{\bigtriangleup y}{\bigtriangleup x}=g(x_0) △x→0lim△x△y=g(x0).
【定义4.1.2】 x 0 ∈ D f x_0\in\textbf{D}_{f} x0∈Df( f f f的定义域),若极限 lim △ x → 0 △ y △ x = lim △ x → 0 f ( x 0 + △ x ) − f ( x 0 ) △ x \lim\limits_{\bigtriangleup x\to 0}\frac{\bigtriangleup y}{\bigtriangleup x}=\lim\limits_{\bigtriangleup x\to 0}\frac{f(x_{0}+\bigtriangleup x)-f(x_0)}{\bigtriangleup x} △x→0lim△x△y=△x→0lim△xf(x0+△x)−f(x0)存在,则称 f ( x ) f(x) f(x)在 x 0 x_0 x0可导,记该极限值为 f ′ ( x 0 ) f'(x_0) f′(x0)或 y ′ ( x 0 ) y'(x_0) y′(x0)或 d y d x ∣ x = x 0 , d f d x ∣ x = x 0 \frac{dy}{dx}|_{x=x_0},\frac{df}{dx}|_{x=x_0} dxdy∣x=x0,dxdf∣x=x0, f ( x ) f(x) f(x)可导的范围是 D f \textbf{D}_f Df的子集(即在这个子集上没一点都有 f ( x ) f(x) f(x)对应的导数值),因此,我们得到在子集上的一个新的函数,称为 f f f的导数所产生的函数,将它称为 f f f的导函数,记为 f ′ ( x ) f'(x) f′(x)或 y ′ ( x ) y'(x) y′(x)或 d y d x \frac{dy}{dx} dxdy或 d f d x \frac{df}{dx} dxdf.
【结论】一元函数的可微 ⇔ \Leftrightarrow ⇔可导且 f ′ ( x 0 ) = g ( x 0 ) f'(x_0)=g(x_0) f′(x0)=g(x0)换句话说就是 d y = f ′ ( x 0 ) d x dy=f'(x_0)dx dy=f′(x0)dx.
【证】可导: lim △ x → 0 △ y △ x = f ′ ( x 0 ) \lim\limits_{\bigtriangleup x\to 0}\frac{\bigtriangleup y}{\bigtriangleup x}=f'(x_0) △x→0lim△x△y=f′(x0),即 lim △ x → 0 ( △ y △ x − f ′ ( x 0 ) ) \lim\limits_{\bigtriangleup x\to 0}(\frac{\bigtriangleup y}{\bigtriangleup x}-f'(x_0)) △x→0lim(△x△y−f′(x0)),所以 △ y △ x − f ′ ( x 0 ) = o ( 1 ) , ( △ x → 0 ) \frac{\bigtriangleup y}{\bigtriangleup x}-f'(x_0)=o(1),(\bigtriangleup x\to 0) △x△y−f′(x0)=o(1),(△x→0)
即 △ y = f ′ ( x 0 ) △ x + o ( 1 ) △ x \bigtriangleup y=f'(x_0)\bigtriangleup x+o(1)\bigtriangleup x △y=f′(x0)△x+o(1)△x,将 o ( 1 ) △ x o(1)\bigtriangleup x o(1)△x看作一个函数,它除 △ x \bigtriangleup x △x后,趋于0,则 o ( 1 ) △ x = o ( △ x ) o(1)\bigtriangleup x=o(\bigtriangleup x) o(1)△x=o(△x)
所以 △ y = f ′ ( x 0 ) △ x + o ( △ x ) \bigtriangleup y=f'(x_0)\bigtriangleup x+o(\bigtriangleup x) △y=f′(x0)△x+o(△x)
所以可导和可微是等价的。
【注】多元函数的可导和可微是不等价的。