微分- 維基百科,自由的百科全書
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當x有極小的變化量時,我們稱對x微分。
微分主要用於線性函數的改變量,這是微積分的基本概念之一。
當某些函數 ...
微分
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系列條目微積分學
函數
極限論
微分學
積分
微積分基本定理
微積分發現權之爭(英語:Leibniz–Newtoncalculuscontroversy)
基礎概念(含極限論和級數論)
實數性質
函數 ·單調性 ·初等函數 ·數列 ·極限 ·實數的構造(1=0.999…) ·無窮大(銜尾蛇) ·無窮小量 ·ε-δ式定義(英語:(ε,δ)-definitionoflimit) ·實無窮(英語:Actualinfinity) ·大O符號 ·上確界 ·收斂數列 ·芝諾悖論 ·柯西序列 ·單調收斂定理 ·夾擠定理 ·波爾查諾-魏爾斯特拉斯定理 ·斯托爾茲-切薩羅定理 ·上極限和下極限 ·函數極限 ·漸近線 ·鄰域 ·連續 ·連續函數 ·間斷點 ·狄利克雷函數 ·稠密集 ·一致連續 ·緊集 ·海涅-博雷爾定理 ·支撐集 ·歐幾里得空間 ·內積 ·外積 ·混合積 ·拉格朗日恆等式 ·等價範數 ·坐標系 ·多元函數 ·凸集 ·壓縮映射原理 ·級數 ·收斂級數(英語:convergentseries) ·幾何級數 ·調和級數 ·項測試 ·格蘭迪級數 ·收斂半徑 ·審斂法 ·柯西乘積 ·黎曼級數重排定理 ·函數項級數(英語:functionseries) ·一致收斂 ·迪尼定理
數列與級數
連續
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歷史名作
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閱論編
提示:此條目的主題不是微分學。
函數的微分(英語:Differentialofafunction)是指對函數的局部變化的一種線性描述。
微分可以近似地描述當函數自變量的取值作足夠小的改變時,函數的值是怎樣改變的。
微分在數學中的定義:由y是x的函數(y=f(x))。
從簡單的x-y座標系來看,自變數x有微小的變化量時(d/dx),應變數y也會跟著變動,但x跟y的變化量都是極小的。
當x有極小的變化量時,我們稱對x微分。
微分主要用於線性函數的改變量,這是微積分的基本概念之一。
當某些函數
f
{\displaystyle\textstylef}
的自變量
x
{\displaystyle\textstylex}
有一個微小的改變
h
{\displaystyle\textstyleh}
時,函數的變化可以分解為兩個部分。
一個部分是線性部分:在一維情況下,它正比於自變量的變化量
h
{\displaystyle\textstyleh}
,可以表示成
h
{\displaystyle\textstyleh}
和一個與
h
{\displaystyle\textstyleh}
無關,只與函數
f
{\displaystyle\textstylef}
及
x
{\displaystyle\textstylex}
有關的量的乘積;在更廣泛的情況下,它是一個線性映射作用在
h
{\displaystyle\textstyleh}
上的值。
另一部分是比
h
{\displaystyle\textstyleh}
更高階的無窮小,也就是說除以
h
{\displaystyle\textstyleh}
後仍然會趨於零。
當改變量
h
{\displaystyle\textstyleh}
很小時,第二部分可以忽略不計,函數的變化量約等於第一部分,也就是函數在
x
{\displaystyle\textstylex}
處的微分,記作
f
′
(
x
)
h
{\displaystyle\displaystylef'(x)h}
或
d
f
x
(
h
)
{\displaystyle\displaystyle{\textrm{d}}f_{x}(h)}
。
如果一個函數在某處具有以上的性質,就稱此函數在該點可微。
不是所有的函數的變化量都可以分為以上提到的兩個部分。
若函數在某一點無法做到可微,便稱函數在該點不可微。
在古典的微積分學中,微分被定義為變化量的線性部分,在現代的定義中,微分被定義為將自變量的改變量
h
{\displaystyle\textstyleh}
映射到變化量的線性部分的線性映射
d
f
x
{\displaystyle\displaystyle{\textrm{d}}f_{x}}
。
這個映射也被稱為切映射。
給定的函數在一點的微分如果存在,就一定是唯一的。
目次
1一元微分
1.1定義
1.2和導數的關係
1.3幾何意義
1.4例子
1.5微分法則
1.6極值
2多元函數微分
2.1定義
2.2性質
2.3例子
3微分與微分形式
4參見
5參考來源
一元微分[編輯]
定義[編輯]
函數在一點的微分。
其中紅線部分是微分量
d
y
{\displaystyle{\textrm{d}}y}
,而
d
y
{\displaystyle{\textrm{d}}y}
加上灰線部分後是實際的改變量
Δ
y
{\displaystyle\Deltay}
設函數
y
=
f
(
x
)
{\displaystyley=f(x)}
在某區間
I
{\displaystyle{\mathcal{I}}}
內有定義。
對於
I
{\displaystyle{\mathcal{I}}}
內一點
x
0
{\displaystylex_{0}}
,當
x
0
{\displaystylex_{0}}
變動到附近的
x
0
+
Δ
x
{\displaystylex_{0}+\Deltax}
(也在此區間內)時,如果函數的增量
Δ
y
=
f
(
x
0
+
Δ
x
)
−
f
(
x
0
)
{\displaystyle\Deltay=f(x_{0}+\Deltax)-f(x_{0})}
可表示為
Δ
y
=
A
Δ
x
+
o
(
Δ
x
)
{\displaystyle\Deltay=A\Deltax+o(\Deltax)}
(其中
A
{\displaystyleA}
是不依賴於
Δ
x
{\displaystyle\Deltax}
的常數),而
o
(
Δ
x
)
{\displaystyleo(\Deltax)}
是比
Δ
x
{\displaystyle\Deltax}
高階的無窮小,那麼稱函數
f
(
x
)
{\displaystylef(x)}
在點
x
0
{\displaystylex_{0}}
是可微的,且
A
Δ
x
{\displaystyleA\Deltax}
稱作函數在點
x
0
{\displaystylex_{0}}
相應於自變量增量
Δ
x
{\displaystyle\Deltax}
的微分,記作
d
y
{\displaystyle{\textrm{d}}y}
,即
d
y
=
A
Δ
x
{\displaystyle{\textrm{d}}y=A\Deltax}
,
d
y
{\displaystyle{\textrm{d}}y}
是
Δ
y
{\displaystyle\Deltay}
的線性主部。
[1]:141
通常把自變量
x
{\displaystylex}
的增量
Δ
x
{\displaystyle\Deltax}
稱為自變量的微分,記作
d
x
{\displaystyle{\textrm{d}}x}
,即
d
x
=
Δ
x
{\displaystyle{\textrm{d}}x=\Deltax}
。
和導數的關係[編輯]
微分和導數是兩個不同的概念。
但是,對一元函數來說,可微與可導是完全等價的概念[1]:141。
可微的函數,其微分等於導數乘以自變量的微分
d
x
{\displaystyle{\textrm{d}}x}
,換句話說,函數的微分與自變量的微分之商等於該函數的導數。
因此,導數也叫做微商。
於是函數
y
=
f
(
x
)
{\displaystyley=f(x)}
的微分又可記作
d
y
=
f
′
(
x
)
d
x
{\displaystyle{\textrm{d}}y=f'(x){\textrm{d}}x}
[2]。
幾何意義[編輯]
設
Δ
x
{\displaystyle\Deltax}
是曲線
y
=
f
(
x
)
{\displaystyley=f(x)}
上的點
P
{\displaystyleP}
在橫坐標上的增量,
Δ
y
{\displaystyle\Deltay}
是曲線在點
P
{\displaystyleP}
對應
Δ
x
{\displaystyle\Deltax}
在縱坐標上的增量,
d
y
{\displaystyle{\textrm{d}}y}
是曲線在點
P
{\displaystyleP}
的切線對應
Δ
x
{\displaystyle\Deltax}
在縱坐標上的增量。
當
|
Δ
x
|
{\displaystyle\left|\Deltax\right|}
很小時,
|
Δ
y
−
d
y
|
{\displaystyle\left|\Deltay-{\textrm{d}}y\right|}
比
|
Δ
x
|
{\displaystyle\left|\Deltax\right|}
要小得多(高階無窮小),因此在點
P
{\displaystyleP}
附近,我們可以用切線段來近似代替曲線段。
例子[編輯]
設有函數
f
:
x
↦
x
2
{\displaystylef:x\mapstox^{2}}
,考慮它從某一點
x
{\displaystylex}
變到
x
+
d
x
{\displaystylex+{\textrm{d}}x}
。
這時,函數的改變量
f
(
x
+
d
x
)
−
f
(
x
)
{\displaystylef(x+{\textrm{d}}x)-f(x)}
等於:
f
(
x
+
d
x
)
−
f
(
x
)
=
(
x
+
d
x
)
2
−
x
2
{\displaystylef(x+{\textrm{d}}x)-f(x)=(x+{\textrm{d}}x)^{2}-x^{2}}
=
2
x
⋅
d
x
+
(
d
x
)
2
=
A
d
x
+
o
(
d
x
)
{\displaystyle=2x\cdot{\textrm{d}}x+({\textrm{d}}x)^{2}=A{\textrm{d}}x+o({\textrm{d}}x)}
其中的線性主部:
A
d
x
=
2
x
d
x
{\displaystyleAdx=2xdx}
,高階無窮小是
o
(
d
x
)
=
(
d
x
)
2
{\displaystyleo({\textrm{d}}x)=({\textrm{d}}x)^{2}}
。
因此函數
f
{\displaystyle\textstylef}
在點
x
{\displaystyle\textstylex}
處的微分是
d
y
=
2
x
d
x
{\displaystyle{\textrm{d}}y=2x{\textrm{d}}x}
。
函數的微分與自變量的微分之商
d
y
d
x
=
2
x
=
f
′
(
x
)
{\displaystyle{\frac{{\textrm{d}}y}{{\textrm{d}}x}}=2x=f^{\prime}(x)}
,等於函數的導數。
d
y
d
x
=
d
(
a
x
n
)
d
x
{\displaystyle{\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}}={\frac{\mathrm{d}(ax^{n})}{\mathrm{d}x}}}
,尤其
y
=
a
x
n
{\displaystyley=ax^{n}}
=
n
a
x
(
n
−
1
)
{\displaystyle=nax^{(n-1)}}
以下有一例子:
當方程式為
y
=
2
x
2
{\displaystyley=2x^{2}}
時,就會有以下的微分過程。
d
y
d
x
{\displaystyle{\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}}}
=
d
2
x
2
d
x
{\displaystyle={\frac{\mathrm{d}2x^{2}}{\mathrm{d}x}}}
=
2
⋅
2
x
(
2
−
1
)
{\displaystyle=2\cdot2x^{(2-1)}}
=
4
x
{\displaystyle=4x}
微分法則[編輯]
和求導一樣,微分有類似的法則。
例如,如果設函數
u
{\displaystyleu}
、
v
{\displaystylev}
可微,那麼:
d
(
a
u
+
b
v
)
=
d
a
u
+
d
b
v
=
a
d
u
+
b
d
v
{\displaystyled(au+bv)=dau+dbv=adu+bdv}
d
(
u
v
)
=
u
d
v
+
v
d
u
{\displaystyled(uv)=udv+vdu}
d
(
u
v
)
=
v
d
u
−
u
d
v
v
2
{\displaystyled\left({\frac{u}{v}}\right)={\frac{vdu-udv}{v^{2}}}}
若函數
y
(
u
)
{\displaystyley(u)}
可導,那麼
d
[
y
(
u
)
]
=
y
′
(
u
)
d
u
{\displaystyled[y(u)]=y'(u)du}
[1]:139
極值[編輯]
主條目:極值
多元函數微分[編輯]
主條目:全微分
當自變量是多元變量時,導數的概念已經不適用了(儘管可以定義對某個分量的偏導數,但偏導數隻對單一自變量微分),但仍然有微分的概念。
定義[編輯]
設
f
{\displaystylef}
是從歐幾里得空間Rn(或者任意一個內積空間)中的一個開集
Ω
{\displaystyle\Omega}
射到Rm的一個函數。
對於
Ω
{\displaystyle\Omega}
中的一點
x
{\displaystylex}
及其在
Ω
{\displaystyle\Omega}
中的鄰域
Λ
{\displaystyle\Lambda}
中的點
x
+
h
{\displaystylex+h}
。
如果存在線性映射
A
{\displaystyleA}
使得對任意這樣的
x
+
h
{\displaystylex+h}
,
lim
h
→
0
(
|
f
(
x
+
h
)
−
f
(
x
)
−
A
(
h
)
|
|
h
|
)
=
0
{\displaystyle\lim_{h\to0}\left({\frac{|f(x+h)-f(x)-A(h)|}{|h|}}\right)=0}
那麼稱函數
f
{\displaystylef}
在點
x
{\displaystylex}
處可微。
線性映射
A
{\displaystyleA}
叫做
f
{\displaystylef}
在點
x
{\displaystylex}
處的微分,記作
d
f
x
{\displaystyle{\textrm{d}}f_{x}}
。
如果
f
{\displaystylef}
在點
x
{\displaystylex}
處可微,那麼它在該點處一定連續,而且在該點的微分只有一個。
為了和偏導數區別,多元函數的微分也叫做全微分或全導數。
當函數在某個區域的每一點
x
{\displaystylex}
都有微分
d
f
x
{\displaystyle{\textrm{d}}f_{x}}
時,可以考慮將
x
{\displaystylex}
映射到
d
f
x
{\displaystyle{\textrm{d}}f_{x}}
的函數:
d
f
:
x
↦
d
f
x
{\displaystyle{\textrm{d}}f:x\mapsto{\textrm{d}}f_{x}}
這個函數一般稱為微分函數[3]。
性質[編輯]
如果
f
{\displaystylef}
是線性映射,那麼它在任意一點的微分都等於自身。
在Rn(或定義了一組標準基的內積空間)裡,函數的全微分和偏導數間的關係可以通過雅可比矩陣刻畫:
設
f
{\displaystylef}
是從Rn射到Rm的函數,
f
=
(
f
1
,
f
2
,
⋯
,
f
m
)
{\displaystylef=(f_{1},f_{2},\cdots,f_{m})}
,那麼:
d
f
x
=
J
f
(
x
)
=
[
∂
f
1
∂
x
1
⋯
∂
f
1
∂
x
n
⋮
⋱
⋮
∂
f
m
∂
x
1
⋯
∂
f
m
∂
x
n
]
{\displaystyle{\textrm{d}}f_{x}=J_{f}(x)={\begin{bmatrix}{\frac{\partialf_{1}}{\partialx_{1}}}&\cdots&{\frac{\partialf_{1}}{\partialx_{n}}}\\\vdots&\ddots&\vdots\\{\frac{\partialf_{m}}{\partialx_{1}}}&\cdots&{\frac{\partialf_{m}}{\partialx_{n}}}\end{bmatrix}}}
。
具體來說,對於一個改變量:
h
=
(
h
1
,
h
2
,
…
,
h
n
)
=
∑
i
=
1
n
h
i
e
i
{\displaystyleh=(h_{1},h_{2},\ldots,h_{n})=\sum_{i=1}^{n}h_{i}e_{i}}
,微分值:
d
f
x
(
h
)
=
[
∂
f
1
∂
x
1
⋯
∂
f
1
∂
x
n
⋮
⋱
⋮
∂
f
m
∂
x
1
⋯
∂
f
m
∂
x
n
]
(
h
1
⋮
h
n
)
=
∑
i
=
1
m
(
∑
j
=
1
n
∂
f
i
∂
x
j
h
j
)
e
i
{\displaystyle{\textrm{d}}f_{x}(h)={\begin{bmatrix}{\frac{\partialf_{1}}{\partialx_{1}}}&\cdots&{\frac{\partialf_{1}}{\partialx_{n}}}\\\vdots&\ddots&\vdots\\{\frac{\partialf_{m}}{\partialx_{1}}}&\cdots&{\frac{\partialf_{m}}{\partialx_{n}}}\end{bmatrix}}{\begin{pmatrix}h_{1}\\\vdots\\h_{n}\end{pmatrix}}=\sum_{i=1}^{m}\left(\sum_{j=1}^{n}{\frac{\partialf_{i}}{\partialx_{j}}}h_{j}\right)e_{i}}
可微的必要條件:如果函數
f
{\displaystylef}
在一點
x
0
{\displaystylex_{0}}
處可微,那麼雅克比矩陣的每一個元素
∂
f
i
∂
x
j
(
x
0
)
{\displaystyle{\frac{\partialf_{i}}{\partialx_{j}}}(x_{0})}
都存在,但反之不真[4]:76。
可微的充分條件:如果函數
f
{\displaystylef}
在一點
x
0
{\displaystylex_{0}}
的雅克比矩陣的每一個元素
∂
f
i
∂
x
j
(
x
0
)
{\displaystyle{\frac{\partialf_{i}}{\partialx_{j}}}(x_{0})}
都在
x
0
{\displaystylex_{0}}
連續,那麼函數在這點處可微,但反之不真[4]:77。
例子[編輯]
函數
f
:
(
x
,
y
)
↦
(
x
2
+
y
2
,
(
1
−
x
2
−
y
2
)
x
−
y
,
x
−
(
1
−
x
2
−
y
2
)
y
)
{\displaystylef:(x,y)\mapsto\left(x^{2}+y^{2},(1-x^{2}-y^{2})x-y,x-(1-x^{2}-y^{2})y\right)}
是一個從
R
2
{\displaystyle\mathbb{R}^{2}}
射到
R
3
{\displaystyle\mathbb{R}^{3}}
的函數。
它在某一點
(
x
,
y
)
{\displaystyle(x,y)}
的雅可比矩陣為:
J
f
(
x
,
y
)
=
[
2
x
2
y
1
−
3
x
2
−
y
2
−
2
x
y
−
1
1
+
2
x
y
−
1
+
x
2
+
3
y
2
]
{\displaystyleJ_{f}(x,y)={\begin{bmatrix}2x&2y\\1-3x^{2}-y^{2}&-2xy-1\\1+2xy&-1+x^{2}+3y^{2}\end{bmatrix}}}
微分為:
d
f
(
x
,
y
)
:
h
↦
J
f
(
x
,
y
)
(
h
)
{\displaystyle{\textrm{d}}f_{(x,y)}:h\mapstoJ_{f}(x,y)(h)}
,也就是:
d
f
(
x
,
y
)
:
h
=
(
h
1
h
2
)
↦
[
2
x
2
y
1
−
3
x
2
−
y
2
−
2
x
y
−
1
1
+
2
x
y
−
1
+
x
2
+
3
y
2
]
(
h
1
h
2
)
=
(
2
x
h
1
+
2
y
h
2
(
1
−
3
x
2
−
y
2
)
h
1
−
(
2
x
y
+
1
)
h
2
(
1
+
2
x
y
)
h
1
−
(
1
−
x
2
−
3
y
2
)
h
2
)
{\displaystyle{\textrm{d}}f_{(x,y)}:h={\begin{pmatrix}h_{1}\\h_{2}\end{pmatrix}}\mapsto{\begin{bmatrix}2x&2y\\1-3x^{2}-y^{2}&-2xy-1\\1+2xy&-1+x^{2}+3y^{2}\end{bmatrix}}{\begin{pmatrix}h_{1}\\h_{2}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}2xh_{1}+2yh_{2}\\(1-3x^{2}-y^{2})h_{1}-(2xy+1)h_{2}\\(1+2xy)h_{1}-(1-x^{2}-3y^{2})h_{2}\end{pmatrix}}}
微分與微分形式[編輯]
主條目:微分形式
如果說微分是導數的一種推廣,那麼微分形式則是對於微分函數的再推廣。
微分函數對每個點
x
{\displaystylex}
給出一個近似描述函數性質的線性映射
d
f
x
{\displaystyle{\textrm{d}}f_{x}}
,而微分形式對區域
D
{\displaystyle\mathbf{D}}
內的每一點給出一個從該點的切空間映射到值域的斜對稱形式:
ω
(
x
)
:
T
D
x
⟶
R
{\displaystyle\omega(x):\mathbf{TD}_{x}\longrightarrow\mathbb{R}}
。
在坐標記法下,可以寫成:
ω
(
x
)
=
∑
1
≤
i
1
≤
⋯
≤
i
k
≤
n
a
i
1
⋯
i
k
(
x
)
d
x
i
1
∧
⋯
∧
d
x
i
k
{\displaystyle\omega(x)=\sum_{1\leqi_{1}\leq\cdots\leqi_{k}\leqn}a_{i_{1}\cdotsi_{k}}(x){\textrm{d}}x^{i_{1}}\wedge\cdots\wedge{\textrm{d}}x^{i_{k}}}
其中的
d
x
i
{\displaystyle{\textrm{d}}x^{i}}
是
i
{\displaystylei}
-射影算子,也就是說將一個向量
v
{\displaystylev}
射到它的第
i
{\displaystylei}
個分量
v
i
{\displaystylev^{i}}
的映射。
而
d
x
i
1
∧
⋯
∧
d
x
i
k
{\displaystyle{\textrm{d}}x^{i_{1}}\wedge\cdots\wedge{\textrm{d}}x^{i_{k}}}
是滿足:
d
x
i
1
∧
⋯
∧
d
x
i
k
(
v
1
,
⋯
v
k
)
=
|
v
1
i
1
⋯
v
1
i
k
⋮
⋱
⋮
v
k
i
1
⋯
v
k
i
k
|
{\displaystyle{\textrm{d}}x^{i_{1}}\wedge\cdots\wedge{\textrm{d}}x^{i_{k}}(v_{1},\cdotsv_{k})={\begin{vmatrix}v_{1}^{i_{1}}&\cdots&v_{1}^{i_{k}}\\\vdots&\ddots&\vdots\\v_{k}^{i_{1}}&\cdots&v_{k}^{i_{k}}\end{vmatrix}}}
的k-形式。
特別地,當
f
{\displaystylef}
是一個從Rn射到R的函數時,可以將
d
f
x
{\displaystyle{\textrm{d}}f_{x}}
寫作:
d
f
x
=
∑
i
=
1
n
∂
f
∂
x
i
(
x
)
d
x
i
{\displaystyle{\textrm{d}}f_{x}=\sum_{i=1}^{n}{\frac{\partialf}{\partialx_{i}}}(x){\textrm{d}}x^{i}}
正是上面公式的一個特例[5]。
參見[編輯]
微分學
微積分
導數
積分
偏導數
外微分
泰勒公式
參考來源[編輯]
^1.01.11.2歐陽光中姚允龍周淵編.《数学分析(上册)》.復旦大學出版社.2003.ISBN 7309035704.
^梁子傑.「可微」還是「可導」?(PDF).數學教育. [永久失效連結]
^微分函数.逢甲大學網路教學實驗室.[2009-12-24].(原始內容存檔於2010-05-07).
^4.04.1徐森林,薛春華.《数学分析(第二册)》.清華大學出版社.2005.ISBN 978-7-302-13141-0.
^B.A.卓里奇著,蔣鐸、錢佩玲、周美珂、鄺榮雨譯.《数学分析》第二卷.高等教育出版社.2006.ISBN 978-7-040-20257-1. 第175-183頁.
齊民友.《重温微积分》.高等教育出版社.2004.ISBN 7-040-12931-0.
WalterRudin.《数学分析原理》(PrinciplesofMathematicalAnalysis).Mcgraw-hillBookCompany.1976.ISBN 978-0-070-54235-8.
取自「https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=微分&oldid=67559680」
分類:微分學隱藏分類:自2017年12月帶有失效連結的條目條目有永久失效的外部連結含有英語的條目
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