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拾数笔记

导数的概念及求导公式

导数描述函数在某一点处的瞬时变化率,几何上就是函数图像在该点切线的斜率,用来衡量自变量微小变化时函数值的变化快慢。

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数的定义,通过四步流程解释导数极限定义:选取区间、计算原始变化量、求变化率、取极限得到精确模型。
数的定义,通过四步流程解释导数极限定义:选取区间、计算原始变化量、求变化率、取极限得到精确模型。

导数(Derivative)是微积分中的核心概念,本质上描述的是变量变化的瞬时变化率。

设函数 y=f(x)y = f(x) 在点 x0x_0 的某个邻域内有定义。当自变量 xx 在 x0x_0 处产生增量 Δx\Delta x 时,函数值相应地产生增量 Δy=f(x0+Δx)−f(x0)\Delta y = f(x_0 + \Delta x) - f(x_0)。

如果增量比值 ΔyΔx\frac{\Delta y}{\Delta x} 在 Δx→0\Delta x \to 0 时的极限存在,则称函数 f(x)f(x) 在点 x0x_0 处可导,该极限值称为在 x0x_0 处的导数,记作 f′(x0)f'(x_0)、y′∣x=x0\left.y'\right\vert{}_{x=x_0} 或 dydx∣x=x0\left.\frac{dy}{dx}\right\vert{}_{x=x_0}。

极限表达式为:

f′(x0)=lim⁡Δx→0f(x0+Δx)−f(x0)Δxf'(x_0) = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{f(x_0 + \Delta x) - f(x_0)}{\Delta x}

或者等价地写成(设 x=x0+Δxx = x_0 + \Delta x):

f′(x0)=lim⁡x→x0f(x)−f(x0)x−x0f'(x_0) = \lim_{x \to x_0} \frac{f(x) - f(x_0)}{x - x_0}

导数本质上是一个极限。根据极限存在的充要条件(左右极限存在且相等),函数在某点可导也必须满足单侧导数的相等条件。

  • 左导数(Left Derivative):自变量从 x0x_0 左侧趋近于 x0x_0(即 Δx<0\Delta x < 0)时的单侧极限。

    f−′(x0)=lim⁡Δx→0−f(x0+Δx)−f(x0)Δx=lim⁡x→x0−f(x)−f(x0)x−x0f'_-(x_0) = \lim_{\Delta x \to 0^-} \frac{f(x_0 + \Delta x) - f(x_0)}{\Delta x} = \lim_{x \to x_0^-} \frac{f(x) - f(x_0)}{x - x_0}

  • 右导数(Right Derivative):自变量从 x0x_0 右侧趋近于 x0x_0(即 Δx>0\Delta x > 0)时的单侧极限。

    f+′(x0)=lim⁡Δx→0+f(x0+Δx)−f(x0)Δx=lim⁡x→x0+f(x)−f(x0)x−x0f'_+(x_0) = \lim_{\Delta x \to 0^+} \frac{f(x_0 + \Delta x) - f(x_0)}{\Delta x} = \lim_{x \to x_0^+} \frac{f(x) - f(x_0)}{x - x_0}

函数 f(x)f(x) 在点 x0x_0 处可导的充分必要条件是:左导数 f−′(x0)f'_-(x_0) 与右导数 f+′(x0)f'_+(x_0) 均存在且相等。

f′(x0) 存在   ⟺  f−′(x0)=f+′(x0)f'(x_0) \text{ 存在 } \iff f'_-(x_0) = f'_+(x_0)

典型应用(分段函数与尖点):

对于分段函数或带绝对值的函数(如 f(x)=∣x∣f(x) = \vert{}x\vert{} 在 x=0x=0 处):

  • 左导数 f−′(0)=−1f'_-(0) = -1
  • 右导数 f+′(0)=1f'_+(0) = 1

左右导数不相等,因此 f(x)=∣x∣f(x) = \vert{}x\vert{} 在 x=0x=0 处不可导(图像上形成了一个“尖点”角点)。

当我们在一个区间内的每个可导点 xx 上都求出其导数值 f′(x)f'(x) 时,这就构成了一个新的函数,称为 导函数(Derivative Function),简称 导数。

设 f(x)f(x) 在区间 II 内的每一点都可导,对区间内任意 xx,都有唯一的导数值 f′(x)f'(x) 与之对应,这个映射关系即为导函数:

f′(x)=lim⁡Δx→0f(x+Δx)−f(x)Δxf'(x) = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{f(x + \Delta x) - f(x)}{\Delta x}

常用的记号:f′(x)f'(x)、y′y'、dydx\frac{dy}{dx} 或 ddxf(x)\frac{d}{dx}f(x)。

  • 导函数 f′(x)f'(x) 是一个函数,它给出了任意位置 xx 的变化率规律。
  • 某点处的导数 f′(x0)f'(x_0) 是一个数值,它是导函数 f′(x)f'(x) 在特定点 x=x0x = x_0 处的函数值,即 f′(x0)=f′(x)∣x=x0f'(x_0) = \left.f'(x)\right\vert{}_{x=x_0}。

在实际计算中,我们不需要每次都用极限定义去推导,通常直接调用基础函数的导数公式表:

函数类别原函数 f(x)导函数 f′(x)备注说明
常数函数cc00静态数值没有变化率
幂函数xnx^nnxn−1n x^{n-1}n∈Rn \in \mathbb{R}(如 1x=x−1→−1x2\frac{1}{x} = x^{-1} \to -\frac{1}{x^2})
指数函数exe^xexe^x自然底数 ee 导数保持不变
axa^xaxln⁡aa^x \ln aa>0,a≠1a > 0, a \neq 1
对数函数ln⁡x\ln x1x\frac{1}{x}x>0x > 0
log⁡ax\log_a x1xln⁡a\frac{1}{x \ln a}a>0,a≠1,x>0a > 0, a \neq 1, x > 0
三角函数sin⁡x\sin xcos⁡x\cos x正弦变余弦
cos⁡x\cos x−sin⁡x-\sin x余弦变负正弦
tan⁡x\tan xsec⁡2x\sec^2 x正切变割线的平方
反三角函数arcsin⁡x\arcsin x11−x2\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}∣x∣<1\vert{}x\vert{} < 1
arctan⁡x\arctan x11+x2\frac{1}{1+x^2}全实数域

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