微积分——求导数的链式法则

高数 | 【多元函数微分学 计算篇】链式求导法、隐函数求导法、全微分形式不变性、多元函数求极值 解出原函数的两种方法①偏积分②凑微分。求导后的f1,f2,仍然是复合!奇数个负1偶数个正1。 阅读详情

链式法则(Chain Rule)是微积分最强大的法则之一。这个法则处理的是复合函数(Composite Functions)的导数问题。

复合函数: 以另一种方式将两个函数组合起来的函数。正式定义:

令f 和g 分别为两个函数,函数(f。g)(x) = f (g(x))称为f 与g 的复合函数。复合函数 f。g 的定义域为所有g 的定义域中使得g(x) 在f 的定义域中的所有x 的集合。即,复合函数的定义域中的自变量,首先必须满足是位于g 的定义域中,同时,这个自变量也必须满足使其函数g 的值位于f 的定义域中,满足这两个限制的所有x 的值,构成复合函数的定义域。

当然,复合函数还可以继续复合,组成更复杂的函数。也就是说,复合函数是两套以上的映射法则。一般来讲,f与g 的复合函数,与g 与f 的复合函数,是不一样的复合函数。

例如,求f (x) = 2x– 3 和 g(x) = x^2 + 1 求复合函数  f。g 和 g。f 。

(1) f。g (读作“f 与 g 的复合函数”)

(f\circ g)( x) = f (g(x)) = f(x^2 + 1) = 2(x^2 + 1) - 3 = 2x^2 - 1

(2) g。f (读作“g 与 f 的复合函数”)

(g\circ f)( x) = g (g(x)) = g(2x - 3) = (2x - 3)^2 + 1 = 4x^2 -12 x + 10

链式法则定理:假如 y = f (u)是一个u 的可微函数,u = g (x)是一个x 的可微函数,则 y = f (g(x)) 是一个x 的可微函数,并且

\frac{dy}{dx} = \frac{dy}{du} . \frac{du}{dx} (即y 对x 的导数,等于y 对u 的导数,乘以u 对x 的导数。) 

或者,写成等价形式

\frac{d}{dx}[f(g(x))] = f'(g(dx))g'(x) 

(即,先对第一个函数规则求导数,再对第二个函数规则求导数;链式法则的核心在于识别出复合函数的复合规则,找出复合前的两个函数规则;这种复合可能有多层,从最外层开始,从外向内层层解剖。)

例如,求函数 f(x) = (3x-2x^2)^3  的导数。

从函数定义可以看出,这是一个复合函数,有两套函数规则。3x-2x^2 这是一个函数规则,令其为 u(x) = 3x-2x^2 ;外层又有一个函数规则,立方规则,因此写成 f(x) = [u(x)]^3 。

因此,\frac{dy}{dx} = \frac{dy}{du}.\frac{du}{dx} = 3[u(x)]^2.(3 - 4x) = 3(3x-2x^2)^2.(3 - 4x)

例如,求 f(t) = [sin(4t)]^{3}  的导数。

这个复合函数有3层复合,即,立方这一层映射,三角函数这一层映射,最里层直线函数映射。

f '(t) = 3 [sin(4t)]^{2} .\frac{d sin(4t)}{dt} (先求最外层的导数,立方映射这一层)

= 3 [sin(4t)]^{2} . cos(4t).\frac{d(4t)}{dt} (求次外层的导数,三角函数映射这一层)

= 12 [sin(4t)]^2 . cos(4t) (求最里层的导数,直线函数映射这一层)

参考资料:

<<calculus>> Ron Larson,The Pennsylvania State University The Behrend College
Bruce Edwards, University of Florida

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