鏈式法則

Basis
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基本法則處理的是函式的算術組合,但對於像 (x3+1)100(x^3+1)^{100}sin(x2)\sin(x^2) 這樣的複合函式,它們無能為力。**鏈式法則(chain rule)**正是填補這一缺口的工具:它以 ffgg 各自的導數來表達 fgf \circ g 的導數。

定理陳述

定理(鏈式法則)。ggxx 處可微,ffg(x)g(x) 處可微。則 hfgh \coloneqq f \circ gxx 處可微,且

h(x)  =  f(g(x))g(x).(1)h'(x) \;=\; f'(g(x)) \cdot g'(x). \tag{1}

以萊布尼茲記號,令 u=g(x)u = g(x)y=f(u)y = f(u)

dydx  =  dydududx.\frac{dy}{dx} \;=\; \frac{dy}{du} \cdot \frac{du}{dx}.

證明

直觀的消去法 f(g(x+k))f(g(x))k=f(g(x+k))f(g(x))g(x+k)g(x)g(x+k)g(x)k\dfrac{f(g(x+k))-f(g(x))}{k} = \dfrac{f(g(x+k))-f(g(x))}{g(x+k)-g(x)} \cdot \dfrac{g(x+k)-g(x)}{k} 在某些非零 kk 使得 g(x+k)=g(x)g(x+k) = g(x) 時會失敗(第一個因子變成 0/00/0)。下面的輔助函式論證可以乾淨地處理這種情形。

證明。 定義 ϕ\phi

ϕ(u)  =  {f(u)f(g(x))ug(x)ug(x),f(g(x))u=g(x).\phi(u) \;=\; \begin{cases} \dfrac{f(u) - f(g(x))}{u - g(x)} & u \neq g(x), \\[6pt] f'(g(x)) & u = g(x). \end{cases}

因為 ffg(x)g(x) 處可微,ϕ\phig(x)g(x) 處連續。

對任意 k0k \neq 0,令 u=g(x+k)u = g(x+k)

f(g(x+k))f(g(x))  =  ϕ(g(x+k))(g(x+k)g(x)),f(g(x+k)) - f(g(x)) \;=\; \phi(g(x+k)) \cdot \bigl(g(x+k) - g(x)\bigr),

無論 g(x+k)g(x+k) 是否等於 g(x)g(x),此式均成立(相等時兩側均為 00)。除以 kk

f(g(x+k))f(g(x))k  =  ϕ(g(x+k))g(x+k)g(x)k.\frac{f(g(x+k)) - f(g(x))}{k} \;=\; \phi(g(x+k)) \cdot \frac{g(x+k) - g(x)}{k}.

k0k \to 0 時:右側第二個因子收斂到 g(x)g'(x);由於 ggxx 處連續,g(x+k)g(x)g(x+k) \to g(x),故 ϕ(g(x+k))ϕ(g(x))=f(g(x))\phi(g(x+k)) \to \phi(g(x)) = f'(g(x))。因此 (fg)(x)=f(g(x))g(x)(f \circ g)'(x) = f'(g(x)) \cdot g'(x)\square

例子

多項式的冪

((x3+1)5)  =  5(x3+1)43x2  =  15x2(x3+1)4.\bigl((x^3+1)^5\bigr)' \;=\; 5(x^3+1)^4 \cdot 3x^2 \;=\; 15x^2(x^3+1)^4.

線性代換

((2x+1)100)  =  100(2x+1)992  =  200(2x+1)99.\bigl((2x+1)^{100}\bigr)' \;=\; 100(2x+1)^{99} \cdot 2 \;=\; 200(2x+1)^{99}.

抽象複合

ff 可微且 g(x)=f(x2+3x)g(x) = f(x^2 + 3x),則 g(x)=f(x2+3x)(2x+3)g'(x) = f'(x^2+3x)\cdot(2x+3)

摘要

  • 鏈式法則(fg)(x)=f(g(x))g(x)(f \circ g)'(x) = f'(g(x)) \cdot g'(x)
  • 證明使用輔助函式 ϕ\phi,以避免在 g(x+k)=g(x)g(x+k) = g(x) 時除以零。
  • 萊布尼茲記號:dydx=dydududx\dfrac{dy}{dx} = \dfrac{dy}{du} \cdot \dfrac{du}{dx}