微分的基本法則

Basis
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先備知識

一旦你能從極限定義計算導數,目標就是避免對每個新函式重複那樣的計算。以下三條法則——線性性(linearity)乘積法則(product rule)商法則(quotient rule)——讓你對任何多項式或有理函式幾乎可以一眼看出導數。

線性性

定理。ffggxx 處可微,且 cRc \in \mathbb{R},則

(cf+g)(x)  =  cf(x)+g(x).(cf + g)'(x) \;=\; c\,f'(x) + g'(x).

證明。 由定義,

limh0(cf+g)(x+h)(cf+g)(x)h  =  limh0[cf(x+h)f(x)h+g(x+h)g(x)h].\lim_{h\to 0}\frac{(cf+g)(x+h)-(cf+g)(x)}{h} \;=\; \lim_{h\to 0}\left[c\cdot\frac{f(x+h)-f(x)}{h} + \frac{g(x+h)-g(x)}{h}\right].

兩個差商均收斂,故極限之和等於和之極限:cf(x)+g(x)c f'(x) + g'(x)\square

乘積法則

定理。ffggxx 處可微,則

(fg)(x)  =  f(x)g(x)+f(x)g(x).(fg)'(x) \;=\; f'(x)\,g(x) + f(x)\,g'(x).

證明。 在分子中加減 f(x)g(x+h)f(x)g(x+h)

f(x+h)g(x+h)f(x)g(x)h  =  f(x+h)f(x)hg(x+h)  +  f(x)g(x+h)g(x)h.\frac{f(x+h)g(x+h) - f(x)g(x)}{h} \;=\; \frac{f(x+h)-f(x)}{h}\cdot g(x+h) \;+\; f(x)\cdot\frac{g(x+h)-g(x)}{h}.

h0h \to 0 時:第一項收斂到 f(x)g(x)f'(x) \cdot g(x)(利用 ggxx 處的連續性,由可微性推出),第二項收斂到 f(x)g(x)f(x) \cdot g'(x)\square

商法則

定理。ffggxx 處可微,且 g(x)0g(x) \neq 0,則

(fg)(x)  =  f(x)g(x)f(x)g(x)g(x)2.\left(\frac{f}{g}\right)'(x) \;=\; \frac{f'(x)\,g(x) - f(x)\,g'(x)}{g(x)^2}.

證明。 先對 1/g1/g 推導倒數法則(reciprocal rule)。以 δ\delta 取代 hh

1g(x+δ)1g(x)δ  =  g(x+δ)g(x)δ1g(x+δ)g(x).\frac{\tfrac{1}{g(x+\delta)}-\tfrac{1}{g(x)}}{\delta} \;=\; -\frac{g(x+\delta)-g(x)}{\delta}\cdot\frac{1}{g(x+\delta)\,g(x)}.

δ0\delta \to 0 時,此式收斂到 g(x)/g(x)2-g'(x)/g(x)^2(因為 g(x+δ)g(x)0g(x+\delta) \to g(x) \neq 0)。再對 f(1/g)f \cdot (1/g) 應用乘積法則:

(fg)=f1g+f(gg2)=fgfgg2.  \left(\frac{f}{g}\right)' = f' \cdot \frac{1}{g} + f \cdot \left(-\frac{g'}{g^2}\right) = \frac{f'g - fg'}{g^2}. \;\square

應用

多項式

由線性性與 (xn)=nxn1(x^n)' = nx^{n-1}

(anxn++a1x+a0)  =  nanxn1++a1.\left(a_n x^n + \cdots + a_1 x + a_0\right)' \;=\; n a_n x^{n-1} + \cdots + a_1.

有理函式

ddx(x2+1x1)  =  2x(x1)(x2+1)(x1)2  =  x22x1(x1)2.\frac{d}{dx}\left(\frac{x^2+1}{x-1}\right) \;=\; \frac{2x(x-1)-(x^2+1)}{(x-1)^2} \;=\; \frac{x^2-2x-1}{(x-1)^2}.

摘要

  • 線性性(cf+g)=cf+g(cf+g)' = cf' + g'
  • 乘積法則(fg)=fg+fg(fg)' = f'g + fg'
  • 商法則(f/g)=(fgfg)/g2(f/g)' = (f'g - fg')/g^2
  • 三條法則均由極限定義以初等極限運算推導而得。
  • 每個多項式和有理函式在其有定義之處均可微。