5.2 知识点复习

5.2.1 导数与微分的概念,函数的局部线性近似

重要概念回顾

(1)

内点、开集、线性函数。

(2)

可微:设a是集合I⊆R的内点,称f:I→R在a处可微,若存在常数A使得(1)f(a+h)=f(a)+Ah+o(h),h→0 此时称以A为系数的线性函数h↦Ah为f在a处的微分,记为(2)df(a):R→R,df(a)(h)=Ah

(3)

可导:(接可微)易见(3)A=limx→af(x)−f(a)x−a=limh→0f(a+h)−f(a)h 称上式等号右侧的极限为f在a处的导数,记为f′(a)=dfdx(a)。所以(4)df(a)(h)=f′(a)h

(4)

导函数:若f在任意x∈I处都可微,则称f在I上可微,此时称f′:I→R为f在I上的导函数。

重要定理回顾 若f在a可微,则f(x)−f(a)=O(x−a),x→a,从而f在a处连续。

应用

(1)

任何线性函数L(x)=λx是可微的,且有dL(a)=L。用传统符号表示为d(λx)=λdx。

(2)

f(x)=x2的微分是d(x2)=2xdx。

(3)

f(x)=1x的微分是d(1x)=−1x2dx。

(4)

f(x)=ex的微分是d(ex)=exdx。

(5)

f(x)=sin⁡x的微分是d(sin⁡x)=cos⁡xdx,f(x)=cos⁡x的微分是d(cos⁡x)=−sin⁡xdx。

(6)

f(x)=x3在x=0处连续,但不可微。

注

(1)

微分的几何意义:上述定义表明,若f在a处可微,则在a附近f可以近似写为f(a)+f′(a)(x−a),即f在a处的图像在a点的切线附近可以近似看作一条直线。

(2)

微分的符号表达:定义坐标映射函数dx(x0):R→R,dx(x0)(h)=h,则有df(x0)(h)=f′(x0)dx(x0)(h)。所以作为函数,df(x)=f′(x)dx。

(3)

绝大多数作者在定义可微和导数时,要求a是定义域内点;但也不尽然,比如Terence Tao在Analysis I 4th edition中仅要求a∈I是I的聚点。

5.2.2 导数与微分的运算法则

重要定理回顾

(1)

复合函数导数的链索法则:设f在x0可微,g在f(x0)可微,则g∘f在x0可微,且(5)d(g∘f)(x0)=dg(y0)∘df(x0)(g∘f)′(x0)=g′(f(x0))⋅f′(x0)d(g∘f)dx|x=x0=dgdy|y=y0⋅dfdx|x=x0

(2)

导数的四则运算:设f,g在x0处可微,α,β∈R,则

  • 线性:αf+βg在a可微,且(6)d(αf+βg)(a)=αdf(a)+βdg(a)(αf+βg)′(a)=αf′(a)+βg′(a)
  • Leibniz:fg在a可微,且(7)d(fg)(a)=f(a)dg(a)+g(a)df(a)(fg)′(a)=f(a)g′(a)+g(a)f′(a)
  • 若g(a)≠0,则fg在a可微,且(8)d(fg)(a)=g(a)df(a)−f(a)dg(a)g2(a)(fg)′(a)=g(a)f′(a)−f(a)g′(a)g2(a)
(3)

逆映射定理:设函数f:(a,b)→(α,β)是严格单调的连续函数,f在x0可微,且f′(x0)≠0,则f的反函数f−1:(α,β)→(a,b)在y0=f(x0)处可微,且(9)d(f−1)(y0)=(df(x0))−1(f−1)′(y0)=1f′(x0)d(f−1)dy|y=y0=1dfdx|x=x0

应用

(1)

(ax)′=axln⁡a,(tan⁡x)′=sec2⁡x。

(2)

(ln⁡x)=1x,(xα)′=αxα−1,(xx)′=xx(1+ln⁡x),(arcsin⁡x)′=11−x2,(arccos⁡x)′=−11−x2,(arctan⁡x)′=11+x2。

(3)

当0<ε<1时,f(x)=x−εsin⁡x有连续的反函数,且(f−1)′(y)=11−εcos⁡(f−1(y))。

注

(1)

一阶微分的形式不变性:设z=z(y),y=y(x),x=x(u),则(10)dz=dzdydy=dzdxdx=dzdudu 其本质是曲线之间的相切关系与坐标系的选取无关。

5.2.3 高阶导数

重要概念回顾

(1)

一阶导函数、二阶可微(导数)、n阶可微(导数)。

(2)

C1函数、Cn函数、C∞函数。

重要定理回顾

(1)

和与积的高阶导数:设f,g在x0处n阶可微,α,β∈R,则

  • 线性:αf+βg在a处n阶可微,且(11)(αf+βg)(n)(a)=αf(n)(a)+βg(n)(a)
  • Leibniz:fg在a处n阶可微,且(12)(fg)(n)(a)=∑k=0n(nk)f(k)(a)g(n−k)(a)
(2)

复合、商、反函数的高阶导数:设f在x0处n阶可微,则

  • 复合函数:若g在f(x0)处n阶可微,则g∘f在x0处n阶可微。作为特例,(g(ax+b))(n)(x)=ang(n)(ax+b)。
  • 商函数:若f(x0)≠0,则1f在x0处n阶可微。
  • 逆函数:若f在x0的邻域内n阶可微,且有连续的反函数,f′(x0)≠0,则f−1在y0=f(x0)处n阶可微。
(3)

设f,g在x0处n阶可微,且g(x0)≠0,则fg在x0处n阶可微。

(4)

初等函数(在定义域内)都是C∞函数。为使这个结论成立,我们约定幂函数的定义域为(0,+∞)。

应用

(1)

Newton第二定律:F=md2xdt2。弹簧振子的运动方程为md2xdt2=−kx。

(2)

(esin⁡x2)″=esin⁡x2(4x2cos2⁡x2−4x2sin⁡x2+2cos⁡x2)。

(3)

(ex)(n)=ex,(eαx)(n)=αneαx,(ax)(n)=axlnn⁡a,(xα)(n)=α(α−1)⋯(α−n+1)xα−n,(ln⁡x)(n)=(−1)n−1(n−1)!1xn。

(4)

(sin⁡x)(n)=sin⁡(x+nπ2),(cos⁡x)(n)=cos⁡(x+nπ2),(eix)(n)=ineix。

(5)

(1x2−1)(n)=(−1)nn!2[1(x−1)n+1−1(x+1)n+1]。

(6)

tan(5)⁡(0)=16。

(7)

设0<ε<1,y=x−εsin⁡x有C∞的反函数,且(13)x=y1−ε−εy36(1−ε)4+o(y3)

PIC

图 5.2.1: 牛顿的导数符号

5.2.4 导数与微分的应用

重要概念回顾

(1)

正则曲线γ:[a,b]→R2、切线γ(t0)+γ′(t0)(t−t0)、法线。

(2)

曲率:(Huygens-Newton)设γ:(x(t),y(t)),t∈(a,b)是一条正则曲线,满足x(t),y(t)都是C2函数,且(14)|x′(t)x″(t)y′(t)y″(t)|≠0,∀t∈(a,b) 则当t→t0时,γ在点(x(t0),y(t0))处的法线与点(x(t0),y(t0))处的法线的交点有极限,这个极限C称为γ在点(x(t0),y(t0))处的曲率圆中心,C到点(x(t0),y(t0))的距离R称为曲率半径,称以C为圆心以R为半径的圆为γ在点(x(t0),y(t0))处的曲率圆,称曲率半径的倒数κ=1R为γ在点(x(t0),y(t0))处的曲率。

(3)

平面极坐标系、沿曲线的坐标系,不同坐标系下运动的速度、加速度。

(4)

微分方程y′(t)=f(t,y)的斜率场(方向场)、解、积分曲线。

(5)

微分方程组{x′=f(x,y)y′=g(x,y)的向量场、解、积分曲线。

重要定理回顾 曲率的计算公式:(15)κ=|det(x′(t0)x″(t0)y′(t0)y″(t0))|[(x′(t0))2+(y′(t0))2]32=|γ′×γ″||γ′|3

应用

(1)

x=y2在(a2,a)处的切线是x=a2+2a(y−a),法线是y=a−2a(x−a2)。

(2)

平行于抛物线对称轴的入射光线经抛物线反射后汇聚于焦点。

(3)

当t→a时抛物线x=y2在点(a2,a)处的法线与在点(t2,t)处的法线的交点的极限为(12+3a2,−4a3),曲率为(16)κ=1R=114+3a2+12a4+16a6

(4)

从Kepler定律到万有引力定律。

(5)

Newton-Raphson方法:(17)y≈f(x0)+f′(x0)(x−x0)⟹xn+1=xn−f(xn)f′(xn)

(6)

放射性物质衰变、Malthus人口模型、修正的人口模型(Logistic模型)、捕猎模型、捕食者—饵模型(Lotka-Volterra模型)、流感模型、弹簧振子—Hooke定律、带有阻尼的弹簧振子、单摆。