基本法則處理的是函式的算術組合,但對於像 (x3+1)100 或 sin(x2) 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 f 和 g 各自的導數來表達 f∘g 的導數。
定理陳述
定理(鏈式法則)。 設 g 在 x 處可微,f 在 g(x) 處可微。則 h:=f∘g 在 x 處可微,且
h′(x)=f′(g(x))⋅g′(x).(1)
以萊布尼茲記號,令 u=g(x)、y=f(u):
dxdy=dudy⋅dxdu.
證明
直觀的消去法 kf(g(x+k))−f(g(x))=g(x+k)−g(x)f(g(x+k))−f(g(x))⋅kg(x+k)−g(x) 在某些非零 k 使得 g(x+k)=g(x) 時會失敗(第一個因子變成 0/0)。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 為
ϕ(u)=⎩⎨⎧u−g(x)f(u)−f(g(x))f′(g(x))u=g(x),u=g(x).
因為 f 在 g(x) 處可微,ϕ 在 g(x) 處連續。
對任意 k=0,令 u=g(x+k):
f(g(x+k))−f(g(x))=ϕ(g(x+k))⋅(g(x+k)−g(x)),
無論 g(x+k) 是否等於 g(x),此式均成立(相等時兩側均為 0)。除以 k:
kf(g(x+k))−f(g(x))=ϕ(g(x+k))⋅kg(x+k)−g(x).
當 k→0 時:右側第二個因子收斂到 g′(x);由於 g 在 x 處連續,g(x+k)→g(x),故 ϕ(g(x+k))→ϕ(g(x))=f′(g(x))。因此 (f∘g)′(x)=f′(g(x))⋅g′(x)。□
例子
多項式的冪
((x3+1)5)′=5(x3+1)4⋅3x2=15x2(x3+1)4.
線性代換
((2x+1)100)′=100(2x+1)99⋅2=200(2x+1)99.
抽象複合
若 f 可微且 g(x)=f(x2+3x),則 g′(x)=f′(x2+3x)⋅(2x+3)。
摘要
- 鏈式法則:(f∘g)′(x)=f′(g(x))⋅g′(x)。
- 證明使用輔助函式 ϕ,以避免在 g(x+k)=g(x) 時除以零。
- 萊布尼茲記號:dxdy=dudy⋅dxdu。