导数是高数中的重要概念,被应用于多种学科。
从物理意义上讲,导数就是求解变化率的问题;从几何意义上讲,导数就是求函数在某一点上的切线的斜率。
我们熟知的速度公式:v = s/t,这求解的是平均速度,实际上往往需要知道瞬时速度:
当t趋近于t0,即t-t0趋近于0时,得到的就是顺时速度。设Δt=t-t0,s是t的函数s=f,瞬时速度用数学表示就是:
为什么s=f呢?请看下图:
将横轴作为距离,以时间为单位分隔,在t0时间经过的距离是f=S0,在t时间经过的距离是f=s
在几何上,如下图所示:
直线a与曲线相切于点Q,直线b与曲线相割于点Q和点P。b的斜率,k=/,当b以Q为轴心沿着曲线旋转时,铉长|PQ|趋近于0,即x->x0时,极限存在:
有上述两个问题可以看出,变化率和切线的问题都可以归结为下面的公式:
定义Δx = x-x0, Δy = y - y0 = f – f = f - f,上面的公式可以写成:
由此得出导数的概念,设函数y=f在点x0的某个邻域内有定义,当自变量x在x0处取得增量Δx时,相应地函数y取得增量Δy;如果Δy与Δx之比当Δx->0时的极限存在,则称函数y=f在点x0处可导,并称这个极限为函数y=f在点x0处的导数,记作f’ :
也记作:
简写为:
1/x求导根据导数公式,代入f = 1/x
这就OK了,所以说导数很简单,因为它仅有一个公式,但没完,因为上式没有任何意义,仅仅是看起来更复杂了。如果我们直接观察导数公式,对于所有求导,当Δx->0时,分母为0,所以必须将导数进一步简化。
需要注意的是,求f’的完整说法是求f在定义域某一点的导数,所以x是已知的,求某一点的导数,当然要知道这个点是什么。
求切线所在三角形的面积如下图所示,直线MN是曲线1/x的切线,切点是,求S△MON
S△MON = 1/2,已知条件是切点,需要求解的未知条件是MO和NO。
直线MN的公式是y=kx+b,根据上节的介绍,1/x在的导数是MN的斜率 -1/x02,代入得:
y0=-1/x02 + b =>
1/x0 = x0+ b =>
b = 2/x0
设N点的坐标是,代入y=kx+b得:
0=x+2/x0 => x = 2x0
即OM = 2x0
同理,MO=2y0
S△MON = 1/2 = 1/2 = 1/2 = 2
幂函数求导f = Xn的导数:f’ = nxn-1
例:’ = 3 * 6x6-1 = 18x5
该公式可以扩展到多项式中:
" = 3 * 3x3-1 + 6 * 10 x10-1 = 9x2 + 60x9
sin和cos求导下面是sinx和cosx的去曲线图:
sinx
cosx
sin0°= 0,sin90°= sin = 1
求导时需要用到几个公式:
1、2不解释,3、4后面会给出证明:
’
’
为什么会有公式3、4
,需要从几何意义上证明。
上图是一个单位圆,将Δx用θ替换。由于单位圆r=1,弧长MN= = =θ。
公式3:
当θ趋近于0时,PN比弧长MN更快地趋近于0,所以公式3成立。
公式4:sinθ=MP/OM=MP. 当θ趋近于0时,MP越来越趋近与MN,所以:
函数可导的条件如果一个函数的定义域为全体实数,即函数在其上都有定义,那么该函数是不是在定义域上处处可导呢?答案是否定的。函数在定义域中一点可导需要一定的条件:函数在该点的左右两侧导数都存在且相等。这实际上是按照极限存在的一个充要条件推导而来。
可导的函数一定连续;连续的函数不一定可导,不连续的函数一定不可导。
下面是两个不可导的例子:
f=x1/3
f=x1/3,f’=x-2/3/3在x=0处分母为0,所以在x=0处不可导。实际上该函数在x=0处的切线是y轴,导数趋近于无穷,不符合导数的定义。
f=|x|
几何上,切线指的是一条刚好触碰到曲线上某一点的直线。更准确地说,当切线经过曲线上的某点时,切线的方向与曲线上该点的方向是相同的。f=|x|在x=0点时,曲线没有唯一方向,即在x=0点没有切线,所以该函数在x=0点不可导。
总结1.导数的物理意义:描述变化率,几何意义:切线的斜率
2.导数公式:
3.基本函数求导公式
1) ’ = 0
2) ’ = -1/x2
3) ’ = nxn-1
4) ’ = cosx
5) ’=-sinx
4.可导的充要条件,它的左右极限存在且相等;可导的函数一定连续;连续的函数不一定可导,不连续的函数一定不可导。