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函数的微分

微分的定义

设函数 y=f(x)y = f(x) 在某区间内有定义,x0x_0x0+Δxx_0 + \Delta x 在这区间内,如果函数的增量

Δy=f(x0+Δx)f(x0)\Delta y = f(x_0 + \Delta x) - f(x_0)

可表示为

Δy=AΔx+o(Δx)\Delta y = A \Delta x + o(\Delta x)

其中 AA 是不依赖于 Δx\Delta x 的常数,那么称函数 y=f(x)y = f(x)x0x_0 处是 可微 的,而 AΔxA \Delta x 叫做函数 y=f(x)y = f(x)x0x_0 相应于自变增量 Δx\Delta x微分 ,记作 dy\mathrm{d} y ,即

dy=AΔx\mathrm{d} y = A \Delta x

微分的几何意义

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基本初等函数的微分公式与微分运算法则

从函数的微分的表达式

dy=f(x)dx\mathrm{d} y = f'(x) \mathrm{d} x

可以看出,要计算函数的微分,只要计算函数的导数,再乘自变量的微分,因此,可得如下的微分公式和微分运算法则。

1. 基本初等函数的微分公式

由基本初等函数的导数公式,可以直接写出基本初等函数的微分公式,为了便于对照,列表如下:

导数公式微分公式
(xμ)=μxμ1(μ 是任意常数)(x^\mu)' = \mu x^{\mu - 1} \quad (\mu \text{ 是任意常数})d(xμ)=μxμ1dx(μ 是任意常数)\mathrm{d} (x^\mu) = \mu x^{\mu - 1} \mathrm{d} x \quad (\mu \text{ 是任意常数})
(sinx)=cosx(\sin x)' = \cos xd(sinx)=cosxdx\mathrm{d} (\sin x) = \cos x \mathrm{d} x
(cosx)=sinx(\cos x)' = -\sin xd(cosx)=sinxdx\mathrm{d} (\cos x) = -\sin x \mathrm{d} x
(tanx)=sec2x(\tan x)' = \sec^2 xd(tanx)=sec2xdx\mathrm{d} (\tan x) = \sec^2 x \mathrm{d} x
(cotx)=csc2x(\cot x)' = -\csc^2 xd(cotx)=csc2xdx\mathrm{d} (\cot x) = -\csc^2 x \mathrm{d} x
(secx)=secxtanx(\sec x)' = \sec x \tan xd(secx)=secxtanxdx\mathrm{d} (\sec x) = \sec x \tan x \mathrm{d} x
(cscx)=cscxcotx(\csc x)' = -\csc x \cot xd(cscx)=cscxcotxdx\mathrm{d} (\csc x) = -\csc x \cot x \mathrm{d} x
(ax)=axlna(a>0 且 a1)(a^x)' = a^x \ln a \quad (a > 0 \text{ 且 } a \neq 1)d(ax)=axlnadx(a>0 且 a1)\mathrm{d} (a^x) = a^x \ln a \mathrm{d} x \quad (a > 0 \text{ 且 } a \neq 1)
(ex)=ex(e^x)' = e^xd(ex)=exdx\mathrm{d} (e^x) = e^x \mathrm{d} x
(logax)=1xlna(a>0 且 a1)(\log_a x)' = \frac{1}{x \ln a} \quad (a > 0 \text{ 且 } a \neq 1)d(logax)=1xlnadx(a>0 且 a1)\mathrm{d} (\log_a x) = \frac{1}{x \ln a} \mathrm{d} x \quad (a > 0 \text{ 且 } a \neq 1)
(lnx)=1x(\ln x)' = \frac{1}{x}d(lnx)=1xdx\mathrm{d} (\ln x) = \frac{1}{x} \mathrm{d} x
(arcsinx)=11x2(\arcsin x)' = \frac{1}{\sqrt{1-x^2}}d(arcsinx)=11x2dx\mathrm{d} (\arcsin x) = \frac{1}{\sqrt{1-x^2}} \mathrm{d} x
(arccosx)=11x2(\arccos x)' = -\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}d(arccosx)=11x2dx\mathrm{d} (\arccos x) = -\frac{1}{\sqrt{1-x^2}} \mathrm{d} x
(arctanx)=11+x2(\arctan x)' = \frac{1}{1+x^2}d(arctanx)=11+x2dx\mathrm{d} (\arctan x) = \frac{1}{1+x^2} \mathrm{d} x
(arccotx)=11+x2(\mathrm{arccot} \, x)' = -\frac{1}{1+x^2}d(arccotx)=11+x2dx\mathrm{d} (\mathrm{arccot} \, x) = -\frac{1}{1+x^2} \mathrm{d} x

2. 函数和、差、积、商的微分法则

由函数和、差、积、商的求导法则,可推得相应的微分法则,为了便于对照,列成下表(表中 u=u(x)u=u(x)v=v(x)v=v(x)都可导)。

函数和,差,积,商的求导法则函数和,差,积,商的微分法则
(u±v)=u±v(u \pm v)' = u' \pm v'd(u±v)=du±dv\mathrm{d} (u \pm v) = du \pm dv
(Cu)=Cu(C 是常数)(Cu)' = Cu' \quad (C \text{ 是常数})d(Cu)=Cdu(C 是常数)\mathrm{d} (Cu) = Cdu \quad (C \text{ 是常数})
(uv)=uv+uv(uv)' = u'v + uv'd(uv)=vdu+udv\mathrm{d} (uv) = vdu + udv
(uv)=uvuvv2(v0)\left( \frac{u}{v} \right)' = \frac{u'v - uv'}{v^2} \quad (v \neq 0)d(uv)=vduudvv2(v0)\mathrm{d} \left( \frac{u}{v} \right) = \frac{vdu - udv}{v^2} \quad (v \neq 0)

3. 复合函数的微分法则

与复合函数的求导法则相对应的复合函数的微分法则可推导如下:

y=f(u)y = f(u)u=g(x)u = g(x) 都可导,则复合函数 y=f[g(x)]y = f[g(x)] 的微分为

dy=yxdx=f(u)g(x)dx\mathrm{d} y = y'_x \mathrm{d} x = f'(u) g'(x) \mathrm{d} x

由于 g(x)dx=dug'(x) \mathrm{d} x = \mathrm{d} u,所以,复合函数 y=f[g(x)]y = f[g(x)] 的微分公式也可以写成

dy=f(u)dudy=yudu\mathrm{d} y = f'(u) \mathrm{d} u \quad \text{或} \quad \mathrm{d} y = y'_u \mathrm{d} u

由此可见,无论 uu 是自变量还是中间变量,微分形式 dy=f(u)du\mathrm{d} y = f'(u) \mathrm{d} u 保持不变。 这一性质称为 微分形式不变性 。 这性质表示,当变换自变量时,微分形式 dy=f(u)du\mathrm{d} y = f'(u) \mathrm{d} u 并不改变。

微分在近似计算中的应用

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