第二章一元函数微分学
微积分创始人:英国数据家牛顿,德国数学家莱布尼兹
微分学{导数−−描述函数变化的快慢微分−−描述函数变化的程度
第二章第一节导数的概念
一、引例
二、导数的定义
三、导数的几何意义
四、函数的可导性与连续性的关系
五、单侧导数
一、引例
1.变速直线运动的速度
设描述质点运动位置的函数为s=f(t),
则t 0 到t的平均速度为:
v ¯ =f(t)−f(t 0 )t−t 0
而在t 0 时刻的瞬时速度为
v=lim t→t 0 f(t)−f(t 0 )t−t 0
2.曲线的切线斜率
曲线C:y=f(x)在M点处的切线
−−割线MN的极限位置MT
(当φ→α时)
切线MT的斜率k=tanα=lim φ→α tanφ
割线MN的斜率tanφ=f(x)−f(x 0 )x−x 0
k=lim x→x 0 f(x)−f(x 0 )x−x 0
两个问题的共性:
所求量为函数增量与自变量增量之比的极限.
类似问题还有:
加速度是速度增量与时间增量之比的极限
角速度是转角增量与时间增量之比的极限
线密度是质量增量与长度增量之比的极限
电流强度是电量增量与时间增量之比的极限
二、导数的定义
定义1.设函数y=f(x)在点x 0 的某邻域内有定义,若lim x→x 0 f(x)−f(x 0 )x−x 0 =lim Δx→0 ΔyΔx 存在,则称函数f(x)在点x 0 处可导,并称此极限为y=f(x)在点x 0 的导数.记作:
y ′ ∣ ∣ x=x 0 ;f ′ (x 0 );dydx ∣ ∣ ∣ x=x 0 ;df(x)dx ∣ ∣ ∣ x=x 0
即y ′ ∣ ∣ x=x 0 =f ′ (x 0 )=lim Δx→0 ΔyΔx
=lim Δx→0 f(x 0 +Δx)−f(x 0 )Δx
=lim h→0 f(x 0 +h)−f(x 0 )h
运动质点的位置函数s=f(t)
在t 0 时刻的瞬间速度
v=lim t→t 0 f(t)−f(t 0 )t−t 0
曲线C:y=f(x)在M点的切线斜率
k=lim x→x 0 f(x)−f(x 0 )x−x 0 =f ′ (x 0 )
说明:在经济学中,边际成本率,边际劳动生产率和边际税率等从数学角度看就是导数。
lim x→x 0 f(x)−f(x 0 )x−x 0 =lim Δx→0 ΔyΔx
若上述极限不存在,就说函数在点x 0 处不可导.
若lim Δx→0 ΔyΔx =∞,也称f(x)在x 0 的导数为无穷大.
若函数在开区间I内每点都可导,就称函数在I内可导.
此时导数值构成的新函数称为导函数.
记作:y ′ ;f ′ (x);dydx ;df(x)dx
注意:f ′ (x 0 )=f ′ (x)∣ ∣ x=x 0 ≠df(x 0 )dx
在导数的定义中,虽然x可以取区间I内的任意数值,但在极限的过程中,x是常数,Δx或h是变量。
函数f(x)在点x 0 处的导数f ′ (x 0 )就是导函数f ′ (x)在点x=x 0 处的函数值,即f ′ (x 0 )=f ′ (x)=∣ ∣ x=x 0
例1.求函数f(x)=C(C为常数)的导数.
解:y ′ =lim Δx→0 f(x+Δx)−f(x)Δx =lim Δx→0 C−CΔx =0
即(C) ′ =0
例2.求函数f(x)=a x (a>0,a≠1)的导数.
解:f ′ (x)=lim h→0 f(x+h)−f(x)h =lim h→0 a x+h −a x h =lim h→0 a x (a h −1)h =a x lna
这就是指数函数的导数公式.特殊地,当a=e时,因lne=1,故有(e x ) ′ =e x
例3.求函数f(x)=x n (n∈N + )
解:f ′ (a)=lim x→a f(x)−f(a)x−a =lim x→a x n −a n x−a =lim x→a (x n−1 +ax n−2 +a 2 x n−3 +⋯+a n−1 )=na n−1
说明:对一般幂函数y=x μ (μ为常数)(x μ ) ′ =μx μ−1
μ
例如,(x √ ) ′ =(x 12 ) ′ =12 x −12 =12x √
(1x ) ′ =(x −1 ) ′ =−x −1−1 =−1x 2
(1xx √ − − − − √ ) ′ =(x −34 ) ′ =−34 x 74
例4.求函数f(x)=sinx的导数.
解:令h=Δx,则f ′ (x)=lim h→0 f(x h )−f(x)h =lim h→0 sin(x+h)−sinxh =lim h→0 2cos(x+h2 )sinh2 h =lim h→0 cos(x+h2 )⋅sinh2 h2 =cosx即(sinx) ′ =cosx
类似可证得(cosx) ′ =−sinx
例5.求函数f(x)=lnx的导数.
解:f ′ (x)=lim h→0 f(x+h)−f(x)h =lim h→0 ln(x+h)−ln(x)h =lim h→0 1h ⋅ln(1+hx )=lim h→0 [ln(1+hx ) xh ] 1x =1x ⋅lim h→0 ln(1+hx ) xh =1x lne=1x 即(lnx) ′ =1x
例6.证明函数f(x)=|x|在x=0不可导.
证:∵f(0+h)−f(0)h =|h|h ={1,h>0−1,h<0
∴lim h→0 f(0+h)−f(0)h 不存在,即|x|在x=0处不可导.
例7.设f ′ (x 0 )存在,求极限lim h→0 f(x 0 +h)−f(x 0 −h)2h
解:
lim h→0 f(x 0 +h)−f(x 0 −h)2h =lim h→0 [f(x 0 +h)−f(x 0 )2h +f(x 0 )−f(x 0 −h)2h ]=12 ⋅[lim h→0 f(x 0 +h)−f(x 0 )h +lim h→0 f(x 0 +(−h))−f(x 0 )(−h) ]=12 [f ′ (x 0 )+f ′ (x 0 )]=f ′ (x 0 )
三、导数的几何意义
曲线y=f(x)在点(x 0 ,y 0 )的切线斜率为tanα=f ′ (x 0 )若f ′ (x 0 )>0,曲线过(x 0 ,y 0 )上升;若f ′ (x 0 )<0,曲线过(x 0 ,y 0 )下降;若f ′ (x 0 )=0,切线与x轴平行,x 0 称为驻点;若f ′ (x 0 )=∞,切线与x轴垂直.
f ′ (x 0 )≠∞时,曲线在点(x 0 ,y 0 )处的切线方程:y−y 0 =f ′ (x 0 )(x−x 0 )
法线方程(与切线垂直):y−y 0 =1f ′ (x 0 ) (x−x 0 )
例8.问曲线y=x √ 3 哪一点有垂直切线?哪一点处的切线与直线y=13 x−1平行?写出其切线方程.
解:∵y ′ =(x √ 3 ) ′ =13 x −23 =13 1x 2 − − √ 3 ∴y ′ ∣ ∣ x=0 =∞,故在原点(0,0)有垂直切线x=0直线平行,斜率相同。13 1x 2 − − √ 3 =13 ,得x=±1,对应y=±1,则在点(1,1),(−1,−1)处与直线y=13 x−1平行的切线方程分别为:y−1=13 (x−1),y+1=13 (x+1)即x−3y±2=0
四、函数的可导性与连续性的关系
定理1.f(x)在点x处可导⟹f(x)在点x处连续
证:设y=f(x)在点x处可导,即lim Δx→0 ΔyΔx =f ′ (x)存在,因此必有ΔyΔx =f ′ (x)+α,其中lim Δx→0 α=0故Δy=f ′ (x)Δ(x)+αΔx⟶ Δx→0 0所以函数y=f(x)在点x连续.
注意:函数在点x连续未必可导.
反例:y=|x|在x=0处连续,但不可导
五、单侧导数
定义2.设函数y=f(x)在点x 0 的某个右(左)邻域内有定义,若极限lim (Δx→0 − ) Δx→0 + ΔyΔx =lim (Δx→0 − ) Δx→0 + f(x 0 +Δx)−f(x 0 )Δx 存在,则称此极限值为f(x)在x 0 处的右(左)导数,记作f ′ (−) + (x 0 )
即f ′ (−) + (x 0 )=lim (Δx→0 − ) Δx→0 + f(x 0 +Δx)−f(x 0 )Δx
例如,f(x)=|x|在x=0处有
f ′ + (0)=1, f ′ − (0)=−1
定理2.函数y=f(x)在点x 0 可导的充分必要条件是f ′ + (x 0 )与f ′ − (x 0 )存在,且f ′ + (x 0 )=f ′ − (x 0 ).
简写为:f ′ (x 0 )存在⟺f ′ + (x 0 )=f ′ − (x 0 )
定理3.函数f(x)在点x 0 处右(左)导数存在⟹f(x)在点x 0 必右(左)连续.
若函数f(x)在开区间(a,b)内可导,且f ′ + (a)与f ′ − (b)都存在,则称f(x)在闭区间[a,b]上可导.
显然:f(x)在闭区间[a,b]上可导⟹f(x)∈C[a,b]
内容小结
1.导数的实质:增量比的极限;
2.f ′ (x 0 )=a⟺f ′ + (x 0 )=f ′ − (x 0 )=a
3.导数的几何意义:切线的斜率;
4.可导比连续,但连续不一定可导;
5.已学过的导数公式
(C) ′ =0;(x μ ) ′ =μx μ−1 ;(lnx) ′ =1x
(sinx) ′ =cosx;(cosx) ′ =−sinx;
(a x ) ′ =a x lna;(e x ) ′ =e x
6.判断可导性⎧ ⎩ ⎨ ⎪ ⎪ 不连续,一定不可导.直接用导数定义;看左右导数是否存在且相等.