的代数衍生物组成的衍生物在代数函数的情况下的学习。派生概念的起源可以追溯到古希腊。解决这一重要问题的动机是需要解决两个重要问题,一个是物理问题,另一个是数学问题。
在物理学中,导数解决了确定运动物体瞬时速度的问题。在数学中,它允许您在给定点处找到曲线的切线。
尽管实际上还有更多的问题可以通过使用导数及其泛化来解决,但引入其概念后却产生了结果。
微分学的先驱是牛顿和莱布尼兹。在给出正式定义之前,我们将从数学和物理的角度发展其背后的想法。
导数作为曲线切线的斜率
假设函数y = f(x)的图是连续图(没有峰,顶点或间隙),令A =(a,f(a))是其上的固定点。我们想要找到在点A与函数f的图相切的直线方程。
让我们在图形上取得点A = P的任何其他点P =(x,f(x)),并绘制通过A和P的割线。割线是将曲线图切一的线或更多点。
要获得所需的切线,只需要计算斜率,因为线上已经有一个点:A点。
如果我们沿着图形移动点P并越来越接近点A,则前面提到的割线将接近我们要查找的切线。当“ P趋于A”时取极限,两条线将重合,因此它们的斜率也将重合。
割线的斜率由下式给出
说P接近A等于说“ x”接近“ a”。因此,在点A处,切线对f的曲线的斜率等于:
上面的表达式由f'(a)表示,并定义为函数f在“ a”点的导数。因此,从分析上我们看到,函数在某个点的导数是一个极限,但在几何上,它是该点处函数的曲线的切线的斜率。
现在我们将从物理学的角度来看这个概念。我们将通过不同的路径得出与先前限制相同的表达式,从而获得定义的一致。
作为运动物体瞬时速度的导数
让我们看一下瞬时速度的简要示例。例如,当说到一辆汽车到达目的地时,它以每小时100公里的速度行驶,这意味着它在一小时内行驶了100公里。
这并不一定意味着汽车在整整一个小时内始终保持100公里行驶,汽车的速度计可能在某些时刻会变少或变多。如果您需要在交通信号灯处停车,那时候的速度为0公里。但是,一个小时后,行程为100公里。
这就是所谓的平均速度,正如我们刚刚看到的那样,它是由行进距离与经过时间的商得出的。另一方面,瞬时速度是在给定的瞬间(时间)标记汽车速度计的指针的速度。
让我们现在更一般地看一下。假设一个物体沿着一条直线移动,并且该位移用等式s = f(t)表示,其中变量t测量时间,而变量s考虑到位移的开始时间t = 0的瞬间,此时它也为零,即f(0)= 0。
该函数f(t)被称为位置函数。
寻找在固定时刻“ a”处物体的瞬时速度的表达式。以这种速度,我们将用V(a)表示。
令t为接近瞬间“ a”的任何瞬间。在“ a”和“ t”之间的时间间隔中,对象位置的变化由f(t)-f(a)给出。
该时间间隔的平均速度为:
这是瞬时速度V(a)的近似值。当t接近“ a”时,这种近似会更好。从而,
注意,该表达式与在先前情况下获得的表达式相同,但是从不同的角度来看。如上所述,这就是在点“ a”处的函数f的导数,并由f'(a)表示。
请注意,进行更改h = xa时,我们具有当“ x”趋于“ a”时,“ h”趋于0,并且先前的限制被转换为(以等效方式)为:
这两个表达式是等效的,但有时视情况而定,最好使用一个而不是另一个。
然后,函数f在属于其域的任意点“ x”处的导数以更一般的方式定义为
表示函数y = f(x)的导数的最常见表示法是我们刚刚看到的一种表示形式(f'或y')。但是,另一种广泛使用的表示法是莱布尼兹的表示法,它表示为以下任一表达式:
由于导数本质上是一个限制,因此可能会或可能不存在,因为限制并不总是存在。如果存在,则认为所讨论的功能在给定点是可微的。
代数函数
代数函数是通过加,减,乘积,商,幂和根的多项式的组合。
多项式是形式的表达式
P n =一个n x n +一个n-1 x n-1 +一个n-2 x n-2 +…+一个2 x 2 +一个1 x + a 0
其中n是自然数,所有i i(i = 0,1,…,n)是有理数且n ≠0。在这种情况下,该多项式的次数为n。
以下是代数函数的示例:
此处不包括指数函数,对数函数和三角函数。接下来将要看到的推导规则通常对于函数是有效的,但是我们将限制自己并将其应用于代数函数。
绕过规则
常数的导数
声明常数的导数为零。也就是说,如果f(x)= c,则f'(x)= 0。例如,常数函数2的导数等于0。
幂的导数
如果f(x)= x n,则f'(x)= nx n-1。例如,x 3的导数是3x 2。结果,我们得到恒等式函数f(x)= x的导数是f'(x)= 1x 1-1 = x 0 = 1。
另一个示例如下:令f(x)= 1 / x 2,然后f(x)= x -2和f'(x)=-2x -2-1 = -2x -3。
此属性也是有效的根,因为根是有理数的能力,并且在这种情况下也可以应用以上所述。例如,平方根的导数为
加法和减法的导数
如果f和g是x中的可微函数,则f + g之和也是可微的,并且满足(f + g)'(x)= f'(x)+ g'(x)。
类似地,我们有(fg)'(x)= f'(x)-g'(x)。换句话说,和(减)的导数是导数的和(或减)。
例
如果h(x)= x 2 + x-1,则
h'(x)=(x 2)+(x)'-(1)'= 2x + 1-0 = 2x + 1。
从产品派生
如果f和g在x中是可微函数,则乘积fg在x中也可微,并且确实
(fg)'(x)= f'(x)g(x)+ f(x)g'(x)。
结果是,如果c是常数,而f是x中的可微函数,则cf在x中也可微,并且(cf)'(x)= cf'(X)。
例
如果f(x)= 3x(x 2 +1),则
f'(x)=(3x)'(x 2 +1)+(3x)(x 2 +1)'= 3(x)'(x 2 +1)+ 3x
= 3(1)(x 2 +1)+ 3x = 3(x 2 +1)+ 3x(2x)= 3x 2 + 3 + 6x 2
= 9x 2 +3。
商的导数
如果f和g在x处可微,并且g(x)≠0,则f / g在x处也可微,这是真的
示例:如果h(x)= x 3 /(x 2 -5x),则
h'(x)= /(x 5 -5x)2 = /(x 5 -5x)2。
连锁规则
该规则允许导出功能的组成。陈述以下内容:如果y = f(u)在u处可微,yu = g(x)在x处可微,那么复合函数f(g(x))在x处可微,并且'= f '(g(x))g'(x)。
即,复合函数的导数是外部函数的导数(外部导数)与内部函数的导数(内部导数)的乘积。
例
如果f(x)=(x 4 -2x)3,则
f'(x)= 3(x 4 -2x)2(x 4 -2x)'= 3(x 4 -2x)2(4x 3 -2)。
对于计算函数逆的导数,以及将其推广到高阶导数,也有结果。应用范围很广。其中,其在优化问题以及最大和最小功能方面的效用突出。
参考文献
- Alarcon,S.,González,M.和Quintana,H.(2008)。微分学。ITM。
- 卡布雷拉,VM(1997)。计算4000。社论Progreso。
- 卡斯塔尼奥,HF(2005)。计算之前的数学。麦德林大学。
- 爱德华多,NA(2003)。微积分介绍。阈值版本。
- Fuentes,A.(2016年)。基本数学。微积分入门。Lulu.com。
- Purcell,EJ,Rigdon,SE,和Varberg,DE(2007)。计算。培生教育。
- Saenz,J。(2005)。微分微积分(第二版)。Barquisimeto:斜边。
- Thomas,GB和Weir,MD(2006年)。计算:几个变量。培生教育。