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)和商法則(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。 若 f 和 g 在 x 處可微,且 c∈R,則
(cf+g)′(x)=cf′(x)+g′(x).
證明。 由定義,
h→0limh(cf+g)(x+h)−(cf+g)(x)=h→0lim[c⋅hf(x+h)−f(x)+hg(x+h)−g(x)].
兩個差商均收斂,故極限之和等於和之極限:cf′(x)+g′(x)。□
乘積法則
定理。 若 f 和 g 在 x 處可微,則
(fg)′(x)=f′(x)g(x)+f(x)g′(x).
證明。 在分子中加減 f(x)g(x+h):
hf(x+h)g(x+h)−f(x)g(x)=hf(x+h)−f(x)⋅g(x+h)+f(x)⋅hg(x+h)−g(x).
當 h→0 時:第一項收斂到 f′(x)⋅g(x)(利用 g 在 x 處的連續性,由可微性推出),第二項收斂到 f(x)⋅g′(x)。□
商法則
定理。 若 f 和 g 在 x 處可微,且 g(x)=0,則
(gf)′(x)=g(x)2f′(x)g(x)−f(x)g′(x).
證明。 先對 1/g 推導倒數法則(reciprocal rule)。以 δ 取代 h:
δg(x+δ)1−g(x)1=−δg(x+δ)−g(x)⋅g(x+δ)g(x)1.
當 δ→0 時,此式收斂到 −g′(x)/g(x)2(因為 g(x+δ)→g(x)=0)。再對 f⋅(1/g) 應用乘積法則:
(gf)′=f′⋅g1+f⋅(−g2g′)=g2f′g−fg′.□
應用
多項式
由線性性與 (xn)′=nxn−1:
(anxn+⋯+a1x+a0)′=nanxn−1+⋯+a1.
有理函式
dxd(x−1x2+1)=(x−1)22x(x−1)−(x2+1)=(x−1)2x2−2x−1.
摘要
- 線性性:(cf+g)′=cf′+g′。
- 乘積法則:(fg)′=f′g+fg′。
- 商法則:(f/g)′=(f′g−fg′)/g2。
- 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。