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Topos Uranos

作为函数极限的导数

摘要

本课把函数在一点处的导数定义为一个极限:割线斜率的极限,即切线的斜率;平均速度的极限,即瞬时速度。本课说明这一定义在哪些点上有意义,引入单侧导数、切线与法线、导函数和莱布尼茨记号,并证明导数有三种等价的表述:差商的极限、以可忽略的误差用直线作的近似,以及卡拉泰奥多里分解。由最后一种表述可知,每个可导函数都连续;绝对值和立方根表明逆命题不成立。

学习目标

  1. 把函数在一点处的导数定义为差商的极限,并把它解释为切线的斜率和瞬时速度。
  2. 计算单侧导数,并用它们判断函数在一点处是否可导。
  3. 证明差商、线性近似与卡拉泰奥多里刻画三者等价。
  4. 证明在一点处可导的函数在该点连续,并识别不可导的连续函数。

切线与速度

在关于抛物线的方程的课中,一条直线在某点与曲线相切,是指它只在该点与曲线接触而不穿过曲线。这一想法对圆锥曲线足够,但对任意曲线则不够。在原点处,曲线 y=x3y = x^3 在左侧位于水平轴下方,在右侧位于其上方:每条过原点的直线都穿过它,而直线 y=mxy = mx(其中 m<0m < 0)只在原点与它接触,因为 x3=mxx^3 = mx 要求 x=0x = 0 或 x2=mx^2 = m。没有一条直线满足这个条件,然而从直观上看,水平轴正是在原点附近最贴近曲线的直线。因此需要另一个定义,它不依赖于曲线的整体形状,只依赖于该点附近发生的情况。

这个想法由来已久:切线是割线的极限位置。考虑函数 ff 及其图像上的点 (a,f(a))(a, f(a))。对 h≠0h \neq 0,过 (a,f(a))(a, f(a)) 和 (a+h,f(a+h))(a + h, f(a + h)) 的割线的斜率为

f(a+h)−f(a)h\frac{f(a + h) - f(a)}{h}

当 hh 趋近 00 时,第二个点趋近第一个点;如果这些斜率有极限,那么以这个极限为斜率、过 (a,f(a))(a, f(a)) 的直线就是切线的候选。

例题抛物线的割线

设 f(x)=x2f(x) = x^2,a=1a = 1。我们计算过点 (1,1)(1, 1) 的几条割线的斜率,再求它们的极限。图中画出每条割线,最后画出切线。

证明

  1. f(2)−f(1)1=4−11=3\frac{f(2) - f(1)}{1} = \frac{4 - 1}{1} = \resaltar{3}

    取 h=1h = 1,割线过 (1,1)(1, 1) 和 (2,4)(2, 4)。

  2. f(32)−f(1)12=94−112=52\frac{f\left(\frac{3}{2}\right) - f(1)}{\frac{1}{2}} = \frac{\frac{9}{4} - 1}{\frac{1}{2}} = \resaltar{\frac{5}{2}}

    取 h=12h = \frac{1}{2},第二个点为 (32,94)\left(\frac{3}{2}, \frac{9}{4}\right),斜率减小。

  3. (1+h)2−1h=2h+h2h=2+h\frac{(1 + h)^2 - 1}{h} = \frac{2h + h^2}{h} = \resaltar{2 + h}

    一般地,对一切 h≠0h \neq 0,无论正负,斜率都可以化简;取 h=14h = \frac{1}{4} 时,它等于 94\frac{9}{4}。

  4. lim⁡h→0(2+h)=2,y=1+2(x−1)=2x−1\lim_{h \to 0} (2 + h) = 2, \qquad y = 1 + 2(x - 1) = \resaltar{2x - 1}

    当 hh 趋于 00 时,斜率趋于 22。过 (1,1)(1, 1)、斜率为 22 的直线就是切线;它与关于抛物线的课中切线引理给出的直线相同,此时 x2=4⋅14 yx^2 = 4 \cdot \frac{1}{4} \, y。

研究运动时也出现同样的极限。设 s(t)s(t) 是一个沿直线运动的点在时刻 tt 的位置,那么商 s(t0+h)−s(t0)h\frac{s(t_0 + h) - s(t_0)}{h} 是它在时刻 t0t_0 与 t0+ht_0 + h 之间的平均速度:位移除以所用的时间。在时刻 t0t_0 的速度,也就是速度计会显示的速度,是当 hh 趋于 00 时平均速度的极限。例如,若 s(t)=t2−4ts(t) = t^2 - 4t,则在 11 与 1+h1 + h 之间的平均速度是 (1+h)2−4(1+h)+3h=h−2\frac{(1 + h)^2 - 4(1 + h) + 3}{h} = h - 2,它趋于 −2-2:在时刻 11,该点以每单位时间两个长度单位的速率向左运动。切线问题和速度问题这两个问题导向同一个极限,下面定义的正是这个极限。

一点处的导数

如同在关于函数的极限的课中那样,首先要说明极限在何处有意义。差商需要值 f(a)f(a),所以 aa 必须属于定义域;而当 xx 趋于 aa 时的极限要求 aa 是定义域的聚点。

定义函数在一点处的导数

设 ff 是定义在实数集 AA 上的实函数,aa 是 AA 的一个元素,并且是 AA 的聚点。ff 在 aa 处的差商是函数 f(x)−f(a)x−a\frac{f(x) - f(a)}{x - a},它对一切 xx(属于 AA 且不等于 aa)有定义。称 ff 在 aa 处可导,如果差商有实数极限 LL(当 xx 趋于 aa 时);这个数就是 ff 在 aa 处的导数,记作 f′(a)f'(a):

f′(a)=L↔(∀ε>0)(∃δ>0)(∀x∈A)(0<∣x−a∣<δ→∣f(x)−f(a)x−a−L∣<ε)f'(a) = L \leftrightarrow (\forall \varepsilon > 0)(\exists \delta > 0)(\forall x \in A)\left(0 < \abs{x - a} < \delta \rightarrow \abs{\frac{f(x) - f(a)}{x - a} - L} < \varepsilon\right)

差商在 A∖{a}A \setminus \{a\} 上有定义,而 aa 是这个集合的聚点,因为聚点的定义只考虑不等于 aa 的元素。由极限的唯一性,导数若存在则唯一。在定义域的孤立点处不定义导数,尽管任何函数在那里都连续。如果差商趋于 ∞\infty 或 −∞-\infty,函数在 aa 处不可导:导数是一个实数。定义常常用增量 h=x−ah = x - a 代替点 xx 来写,如例中那样。

命题导数的增量形式

在定义的假设下,并且只在 f(a+h)f(a + h) 有定义处考虑它:

f′(a)=L⇔lim⁡h→0f(a+h)−f(a)h=Lf'(a) = L \Leftrightarrow \lim_{h \to 0} \frac{f(a + h) - f(a)}{h} = L

这就是变量替换 x=a+hx = a + h;关于单侧极限的课中的平移与翻折命题曾对一侧作过这一替换,现在对两侧同时进行。

证明

  1. Q(a+h)=f(a+h)−f(a)h,h≠0→a+h≠aQ(a + h) = \frac{f(a + h) - f(a)}{h}, \qquad h \neq 0 \rightarrow a + h \neq a

    设 Q(x)Q(x) 为差商。函数 g(h)=a+hg(h) = a + h,对一切 h≠0h \neq 0(满足 a+ha + h 属于 AA),趋于 aa,不取值 aa,且其值都在 QQ 的定义域内。由关于极限的运算法则的课中的复合函数的极限定理,若 QQ 趋于 LL(在 aa 处),则 Q(a+h)Q(a + h) 也趋于 LL(在 00 处)。

  2. Q(x)=Q(a+(x−a)),x≠a→x−a≠0Q(x) = Q\left(a + (x - a)\right), \qquad x \neq a \rightarrow \resaltar{x - a \neq 0}

    反过来,函数 x−ax - a,对一切 xx(属于 AA 且不等于 aa),趋于 00 且不取值 00;把它与 h↦Q(a+h)h \mapsto Q(a + h) 复合,得到差商 Q(x)Q(x),它趋于同一极限。

最初几个导数可以直接计算。若 f(x)=mx+bf(x) = mx + b,则差商等于 m(a+h)+b−(ma+b)h=m\frac{m(a + h) + b - (ma + b)}{h} = m(对一切 h≠0h \neq 0),其极限为 mm:一次函数的导数在每一点都是它的斜率,其切线就是这条直线本身。特别地,常数的导数是 00,恒等函数 f(x)=xf(x) = x 的导数是 11。对 f(x)=x2f(x) = x^2,例中的计算(用 aa 代替 11)给出 (a+h)2−a2h=2a+h\frac{(a + h)^2 - a^2}{h} = 2a + h,导数为 2a2a。

单侧导数

在区间的端点,或在函数改变表达式的点处,宜分别考察每一侧的差商。

定义单侧导数

设 aa 是 AA 的元素,并且是 A∩(a,∞)A \cap \ioo{a}{\infty} 的聚点。称 ff 在 aa 处右可导,如果差商在 aa 处有实数右极限;这个极限就是右导数 f+′(a)f'_+(a):

f+′(a)=L↔(∀ε>0)(∃δ>0)(∀x∈A)(a<x<a+δ→∣f(x)−f(a)x−a−L∣<ε)f'_+(a) = L \leftrightarrow (\forall \varepsilon > 0)(\exists \delta > 0)(\forall x \in A)\left(a < x < a + \delta \rightarrow \abs{\frac{f(x) - f(a)}{x - a} - L} < \varepsilon\right)

类似地,若 aa 是 A∩(−∞,a)A \cap \ioo{-\infty}{a} 的聚点,则左导数 f−′(a)f'_-(a) 是差商的左极限,条件为 a−δ<x<aa - \delta < x < a。

命题导数与单侧导数

设 aa 是 AA 的元素。

  • 若 aa 是 A∩(a,∞)A \cap \ioo{a}{\infty} 和 A∩(−∞,a)A \cap \ioo{-\infty}{a} 的聚点,则 ff 在 aa 处可导当且仅当两个单侧导数都存在且相等;此时 f′(a)=f+′(a)=f−′(a)f'(a) = f'_+(a) = f'_-(a)。
  • 若 aa 只是 AA 中位于一侧的点的聚点,则 ff 在 aa 处可导当且仅当它在这一侧可导,并且导数就是这一侧的单侧导数。

不需要任何新的论证:单侧导数就是差商的单侧极限,而关于单侧极限的课已经把它们与极限联系起来。

证明

  1. lim⁡x→af(x)−f(a)x−a=L⇔f+′(a)=L=f−′(a)\lim_{x \to a} \frac{f(x) - f(a)}{x - a} = L \Leftrightarrow f'_+(a) = L = \resaltar{f'_-(a)}

    在第一种情形,把极限与单侧极限定理应用于差商,即得等价性。

  2. (∀x∈A)(0<∣x−a∣<r→x>a)→f′(a)=f+′(a)\left(\forall x \in A\right)\left(0 < \abs{x - a} < r \rightarrow x > a\right) \rightarrow f'(a) = \resaltar{f'_+(a)}

    在第二种情形,同一课指出,当 aa 只是定义域中位于一侧的点的聚点时,极限与该侧的单侧极限一致:存在 r>0r > 0,使得所有 xx(属于 AA 且满足 0<∣x−a∣<r0 < \abs{x - a} < r)都在这一侧。

例如,绝对值在 00 处的差商为 ∣x∣x\frac{\abs{x}}{x},它的值为 11(若 x>0x > 0)和 −1-1(若 x<0x < 0):其单侧导数为 f+′(0)=1f'_+(0) = 1 和 f−′(0)=−1f'_-(0) = -1,两者不同,所以 ∣x∣\abs{x} 在 00 处不可导。反之,若函数定义在 [0,1]\icc{0}{1} 上,则它在 00 处的导数就是它的右导数,在 11 处的导数就是它的左导数:定义本身已把定义域的端点当作只有一侧来处理。例如,f(x)=xf(x) = x 限制在 [0,1]\icc{0}{1} 上,在 00 处可导,且 f′(0)=1f'(0) = 1。

切线与法线

有了导数,切线就不再是凭眼睛辨认的图形,而成为可以计算的直线。

定义切线与法线

设 ff 在 aa 处可导。ff 的图像在点 (a,f(a))(a, f(a)) 处的切线是过该点、斜率为 f′(a)f'(a) 的直线:

y=f(a)+f′(a)(x−a)y = f(a) + f'(a)(x - a)

同一点处的法线是过该点且垂直于切线的直线:若 f′(a)≠0f'(a) \neq 0,它是直线 y=f(a)−1f′(a)(x−a)y = f(a) - \frac{1}{f'(a)}(x - a);若 f′(a)=0f'(a) = 0,它是竖直直线 x=ax = a。

法线的斜率由关于直线的方程的课中的垂直的直线定理得出:两条不竖直的直线互相垂直,当且仅当它们斜率的乘积为 −1-1。回到曲线 y=x3y = x^3,它在 00 处的差商为 x2x^2,趋于 00:原点处的切线是水平轴,尽管它穿过曲线。当 ff 在 aa 处连续,而差商趋于 ∞\infty 或 −∞-\infty 时,割线趋于竖直;这时称图像在 (a,f(a))(a, f(a)) 处有竖直切线,即直线 x=ax = a,尽管 ff 在 aa 处不可导。

同样,若 s(t)s(t) 是沿直线运动的点的位置,则它在时刻 t0t_0 的速度是 s′(t0)s'(t_0)(若存在)。速度的符号表示运动的方向,其绝对值表示速率。关于变化率的课将展开这种解读。

导函数与莱布尼茨记号

ff 可导的每一点都提供一个数,即它在该点的导数。由所有这些数构成一个新函数。

定义导函数

设 ff 是定义在 AA 上的函数。ff 的导函数是函数 f′f',它给每一点 xx(属于 AA 且 ff 在该点可导)指定数 f′(x)f'(x);其定义域就是这些点构成的集合。若 ff 在集合 SS(包含于 AA)的每一点都可导,则称它可导于 SS;如果它在整个定义域上可导,就简单地称它可导。

例如,x2x^2 的导数是函数 2x2x,定义在整个 R\mathbb{R} 上;绝对值的导数的值为 11(在 (0,∞)\ioo{0}{\infty} 上)和 −1-1(在 (−∞,0)\ioo{-\infty}{0} 上),其定义域不含 00。记号 f′f'(带撇号)出自拉格朗日。另一种常用记号出自莱布尼茨:若 y=f(x)y = f(x),导数写作 dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} 或 dfdx\frac{\mathrm{d}f}{\mathrm{d}x},而对 xx 求导这一运算写作 ddx\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x},放在被求导的表达式前面:

ddx(x2)=2x,ddx(mx+b)=m\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(x^2\right) = 2x, \qquad \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(mx + b\right) = m

这一记号提示导数的来历。若 Δx\Delta x 是自变量的增量,Δy=f(x+Δx)−f(x)\Delta y = f(x + \Delta x) - f(x) 是函数相应的增量,则差商为 ΔyΔx\frac{\Delta y}{\Delta x},而导数是它的极限:

dydx=lim⁡Δx→0ΔyΔx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{\Delta y}{\Delta x}

需要强调,目前 dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} 是一个整体符号,而不是商:dy\mathrm{d}y 和 dx\mathrm{d}x 单独还没有意义;它们将在关于高阶导数与微分的课中获得意义。这一记号明确指出对哪个变量求导:若位置依赖于时间,速度写作 s′(t)s'(t) 或 dsdt\frac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}t}。

导数的三种刻画

定义说差商趋于 f′(a)f'(a)。还有另外两种方式表达同一件事,各有其用:第二种把函数与它的切线比较;第三种避免除法。

定理导数的刻画

设 ff 是定义在 AA 上的函数,aa 是 AA 的元素,并且是 AA 的聚点,LL 是实数。以下三个命题等价:

  • 差商。ff 在 aa 处可导,且 f′(a)=Lf'(a) = L。
  • 线性近似。f(a+h)=f(a)+Lh+o⁡(h)f(a + h) = f(a) + Lh + \operatorname{o}(h)(当 hh 趋于 00 时);也就是说,余项 R(h)=f(a+h)−f(a)−LhR(h) = f(a + h) - f(a) - Lh 满足 lim⁡h→0R(h)h=0\lim_{h \to 0} \frac{R(h)}{h} = 0。
  • 卡拉泰奥多里。存在函数 φ ⁣:A→R\varphi \colon A \to \mathbb{R},在 aa 处连续,φ(a)=L\varphi(a) = L,使得 f(x)−f(a)=φ(x)(x−a)f(x) - f(a) = \varphi(x)(x - a) 对一切 xx(属于 AA)成立。

小 o⁡\operatorname{o} 就是关于等价无穷小与等价无穷大的课中的那个,其中 f(a+h)f(a + h) 只在有定义处考虑。函数 φ\varphi 是割线的斜率,在 aa 处用导数补全。图中以 f(x)=x2+12f(x) = \frac{x^2 + 1}{2} 和 a=1a = 1 为例,画出曲线与切线之间的余项、一条割线,最后画出 φ\varphi 的图像,在这里它是直线 φ(x)=x+12\varphi(x) = \frac{x + 1}{2}。

证明

  1. R(h)h=f(a+h)−f(a)h−L→0⇔f(a+h)−f(a)h→L\frac{R(h)}{h} = \frac{f(a + h) - f(a)}{h} - L \to 0 \Leftrightarrow \resaltar{\frac{f(a + h) - f(a)}{h} \to L}

    第一与第二:余项除以 hh 的商等于差商减去 LL。由关于极限的运算法则的课中作为趋于零的距离的极限引理,这个商趋于 00 当且仅当差商趋于 LL;而由增量形式,这等价于 f′(a)=Lf'(a) = L。

  2. φ(x)={f(x)−f(a)x−ax≠aLx=a,lim⁡x→aφ(x)=L=φ(a)\varphi(x) = \begin{cases} \frac{f(x) - f(a)}{x - a} & x \neq a \\ L & x = a \end{cases}, \qquad \lim_{x \to a} \varphi(x) = L = \resaltar{\varphi(a)}

    由第一到第三:定义 φ\varphi 在 aa 以外等于差商,并令其取值 LL(在 aa 处)。由定义,等式在一切 x≠ax \neq a 处成立;在 x=ax = a 处也成立,因为两边都等于 00。由于 aa 是 AA 的聚点,且 φ\varphi 在 aa 处的极限是 L=φ(a)L = \varphi(a),关于极限与连续性的课中的连续性与极限命题给出 φ\varphi 在 aa 处的连续性。

  3. x≠a→f(x)−f(a)x−a=φ(x)→φ(a)=Lx \neq a \rightarrow \frac{f(x) - f(a)}{x - a} = \varphi(x) \to \varphi(a) = \resaltar{L}

    由第三到第一:若 x≠ax \neq a,两边除以 x−ax - a,差商就是 φ\varphi 在 A∖{a}A \setminus \{a\} 上的限制。由于 φ\varphi 在 aa 处连续,由同一命题它趋于 φ(a)=L\varphi(a) = L;再由关于极限的运算法则的课中的限制的极限引理,差商也趋于这个值。

第三种刻画中的函数 φ\varphi 若存在则唯一:在 aa 以外它是差商,在 aa 处它的值是该差商的极限。第二种刻画说明了切线在什么意义上是最贴近曲线的直线。若把 f(a+h)f(a + h) 换成 f(a)+mhf(a) + mh,其中斜率 mm 不等于 f′(a)f'(a),误差为 (f′(a)−m)h+o⁡(h)(f'(a) - m)h + \operatorname{o}(h),它除以 hh 的商趋于 f′(a)−m≠0f'(a) - m \neq 0:它与 hh 同阶。只有斜率为 f′(a)f'(a) 时,误差相对于 hh 才可忽略。第三种刻画有一个技术上的优点:它是乘积之间的等式,不含除法。关于求导法则和链式法则的课将利用它,以免除以可能为零的量。第一个推论是直接的。

定理可导必连续

若 ff 在 aa 处可导,则 ff 在 aa 处连续。 卡拉泰奥多里分解把 ff 写成若干函数之间的运算,这些函数都在 aa 处连续。

证明

  1. f(x)=f(a)+φ(x)(x−a)f(x) = f(a) + \varphi(x)(x - a)

    由刻画定理,存在 φ\varphi,在 aa 处连续,使得 f(x)=f(a)+φ(x)(x−a)f(x) = f(a) + \varphi(x)(x - a) 对一切 xx(属于 AA)成立。

  2. lim⁡x→af(x)=f(a)+φ(a)⋅0=f(a)\lim_{x \to a} f(x) = f(a) + \varphi(a) \cdot 0 = \resaltar{f(a)}

    常数 f(a)f(a) 与多项式 x−ax - a 都在 aa 处连续,φ\varphi 也是。由关于极限与连续性的课中的连续函数的运算定理,常数与乘积之和在 aa 处连续。

逆命题不成立。连续性要求 f(x)−f(a)f(x) - f(a) 趋于 00;可导性要求更多:要求它除以 x−ax - a 的商有极限,也就是说,它趋于 00 的速度至少与 x−ax - a 一样快,而且不在不同的斜率之间振荡。

命题连续而不可导

绝对值和立方根在 00 处连续,在 00 处不可导:前者的单侧导数不相等,后者的差商趋于 ∞\infty,因此它的图像在原点有竖直切线。 由关于极限与连续性的课中的已知的连续函数推论,两者都连续。图中在绝对值上画出两个单侧斜率,在立方根上画出越来越陡的割线。

证明

  1. f+′(0)=lim⁡x→0+∣x∣x=1≠−1=lim⁡x→0−∣x∣x=f−′(0)f'_+(0) = \lim_{x \to 0^+} \frac{\abs{x}}{x} = 1 \neq -1 = \lim_{x \to 0^-} \frac{\abs{x}}{x} = \resaltar{f'_-(0)}

    绝对值在 00 处的差商在右侧等于 11,在左侧等于 −1-1。单侧导数不相等,由导数与单侧导数命题,∣x∣\abs{x} 在 00 处不可导。

  2. x3−0x−0=1(x3)2→∞\frac{\sqrt[3]{x} - 0}{x - 0} = \frac{1}{\left(\sqrt[3]{x}\right)^2} \to \resaltar{\infty}

    立方根在 00 处的差商是 (x3)2\left(\sqrt[3]{x}\right)^2 的倒数,后者在 x≠0x \neq 0 时为正,且由根式的连续性趋于 00。由关于无穷极限的课中的倒数引理,差商趋于 ∞\infty,没有实数极限。

这两个函数只在一个点处失效,但存在在整条直线上连续、却在任何点都不可导的函数;魏尔斯特拉斯在 1872 年给出了最著名的例子,其构造超出了本课程的范围。

例题

这些问题按难度递增:第一题计算一个在定义域边界上不再存在的导数;第二题用切线发现双曲线的一个性质;第三题说明单侧导数可能不存在;第四题说明函数可能只在一点处可导;最后一题把卡拉泰奥多里分解与单侧导数结合起来。

例题 1定义域边界上的平方根

研究 f(x)=xf(x) = \sqrt{x}(定义在 [0,∞)\ico{0}{\infty} 上)的可导性,并求横坐标为 44 的点处的切线。

解答

  1. a+h−ah=(a+h)−a(a+h+a)h=1a+h+a\frac{\sqrt{a + h} - \sqrt{a}}{h} = \frac{(a + h) - a}{\left(\sqrt{a + h} + \sqrt{a}\right) h} = \frac{1}{\sqrt{a + h} + \sqrt{a}}

    若 a>0a > 0,差商是 00\frac{0}{0} 型不定式;分子分母同乘共轭根式。

  2. f′(a)=12a,y=2+14(x−4)=x4+1f'(a) = \resaltar{\frac{1}{2\sqrt{a}}}, \qquad y = 2 + \frac{1}{4}(x - 4) = \frac{x}{4} + 1

    由根式的连续性,分母趋于 2a≠02\sqrt{a} \neq 0;由关于极限的运算法则的课中的倒数的极限定理,差商趋于 12a\frac{1}{2\sqrt{a}}。在 a=4a = 4 处,导数为 14\frac{1}{4},切线过 (4,2)(4, 2)。

  3. lim⁡h→0+h−0h=lim⁡h→0+1h=∞\lim_{h \to 0^+} \frac{\sqrt{h} - 0}{h} = \lim_{h \to 0^+} \frac{1}{\sqrt{h}} = \resaltar{\infty}

    在 a=0a = 0 处只有右侧有定义域中的点,由导数与单侧导数命题,导数就是右导数。差商为 1h\frac{1}{\sqrt{h}},由于 h\sqrt{h} 为正且趋于 00,倒数引理给出 ∞\infty。

  4. f ⁣:[0,∞)→R,f′ ⁣:(0,∞)→Rf \colon \ico{0}{\infty} \to \mathbb{R}, \qquad f' \colon \resaltar{\ioo{0}{\infty}} \to \mathbb{R}

    因此,x\sqrt{x} 在 (0,∞)\ioo{0}{\infty} 上可导,在 00 处不可导;它在该点连续,其图像有竖直切线 x=0x = 0。导函数的定义域比函数的定义域小。

例题 2双曲线的切线

证明:y=1xy = \frac{1}{x} 在点 (a,1a)\left(a, \frac{1}{a}\right)(其中 a>0a > 0)处的切线与两坐标轴围成面积为 22 的三角形,不论 aa 如何;并且切点是两坐标轴在切线上截得的线段的中点。

解答

  1. 1a+h−1ah=−ha(a+h) h=−1a(a+h)→−1a2\frac{\frac{1}{a + h} - \frac{1}{a}}{h} = \frac{-h}{a(a + h) \, h} = -\frac{1}{a(a + h)} \to \resaltar{-\frac{1}{a^2}}

    两分式相减后差商化简;由倒数的极限定理,其极限为 −1a2-\frac{1}{a^2}。

  2. y=1a−1a2(x−a)=2a−xa2y = \frac{1}{a} - \frac{1}{a^2}(x - a) = \resaltar{\frac{2}{a} - \frac{x}{a^2}}

    切线以这个斜率过 (a,1a)\left(a, \frac{1}{a}\right)。

  3. (2a,0),(0,2a),(2a+02,0+2a2)=(a,1a)\dato{c}{(2a, 0), \quad \left(0, \frac{2}{a}\right)}, \qquad \left(\frac{2a + 0}{2}, \frac{0 + \frac{2}{a}}{2}\right) = \resaltar{\left(a, \frac{1}{a}\right)}

    令 y=0y = 0 得到与水平轴的交点,令 x=0x = 0 得到与竖直轴的交点。两者的中点就是切点。

  4. 12⋅2a⋅2a=2\frac{1}{2} \cdot 2a \cdot \frac{2}{a} = \resaltar{2}

    三角形的两条直角边 2a2a 和 2a\frac{2}{a} 在坐标轴上。它的面积与 aa 无关:图中画出两个这样的三角形,形状不同而面积相同。

例题 3连续而没有单侧导数

设 f(x)=xsin⁡1xf(x) = x \sin \frac{1}{x},g(x)=x2sin⁡1xg(x) = x^2 \sin \frac{1}{x}(对 x≠0x \neq 0),且 f(0)=g(0)=0f(0) = g(0) = 0。证明 ff 在 00 处连续,在 00 处既无导数也无单侧导数;而 gg 在 00 处可导,且 g′(0)=0g'(0) = 0。

解答

  1. f(x)−f(0)x−0=xsin⁡1xx=sin⁡1x\frac{f(x) - f(0)}{x - 0} = \frac{x \sin \frac{1}{x}}{x} = \resaltar{\sin \frac{1}{x}}

    由关于极限与连续性的课中的例题 3,ff 在 00 处连续。它在 00 处的差商为 sin⁡1x\sin \frac{1}{x}。

  2. sin⁡1xn=1,sin⁡1yn=−1,xn=1π2+2nπ,yn=13π2+2nπ\sin \frac{1}{x_n} = 1, \quad \sin \frac{1}{y_n} = -1, \qquad x_n = \frac{1}{\frac{\pi}{2} + 2n\pi}, \quad y_n = \frac{1}{\frac{3\pi}{2} + 2n\pi}

    关于极限的课中的练习题 3 用两族正的点证明了 sin⁡1x\sin \frac{1}{x} 在 00 处没有极限,在这两族点上它的值为 11 和 −1-1。同样的论证否定了右极限;用相反的点(在这些点上它的值为 −1-1 和 11),就否定了左极限。

  3. g(x)−g(0)x−0=xsin⁡1x→0,g′(0)=0\frac{g(x) - g(0)}{x - 0} = x \sin \frac{1}{x} \to 0, \qquad g'(0) = \resaltar{0}

    与此相反,gg 的差商是 xsin⁡1xx \sin \frac{1}{x},即一个有界函数与一个趋于 00 的函数之积;由关于夹逼定理的课中的定理,它趋于 00。

  4. ∣g(x)∣≤x2=o⁡(x)\abs{g(x)} \leq x^2 = \resaltar{\operatorname{o}(x)}

    这两个函数在 00 附近振荡无穷多次。ff 的振荡以 ∣x∣\abs{x} 为界,它与分母 x−0x - 0 同阶,所以差商继续振荡;gg 的振荡以 x2x^2 为界,它相对于 xx 可忽略,所以差商逐渐消失。

例题 4只在一点处可导

设 ff 是这样的函数:取值 x2x^2(若 xx 为有理数)和 00(若 xx 为无理数)。证明 ff 在 00 处可导,且 f′(0)=0f'(0) = 0,而在其他任何点都不可导。

解答

  1. x∈Q→x g(x)=x2,x∉Q→x g(x)=0x \in \mathbb{Q} \rightarrow x \, g(x) = x^2, \qquad x \notin \mathbb{Q} \rightarrow x \, g(x) = 0

    设 gg 是关于极限与连续性的课中例题 5 的函数,它在有理数处取值 xx,在无理数处取值 00。那么 f(x)=x g(x)f(x) = x \, g(x) 对一切 xx 成立,两种情形都是如此。

  2. f(x)−f(0)x−0=x g(x)x=g(x)→g(0)=0,f′(0)=0\frac{f(x) - f(0)}{x - 0} = \frac{x \, g(x)}{x} = g(x) \to g(0) = 0, \qquad f'(0) = \resaltar{0}

    在 00 处,差商为 g(x)g(x),它趋于 g(0)=0g(0) = 0,因为那道题证明了 gg 在 00 处连续。

  3. lim⁡x→af(x)=f(a)→lim⁡x→af(x)x=f(a)a=g(a)\lim_{x \to a} f(x) = f(a) \rightarrow \lim_{x \to a} \frac{f(x)}{x} = \frac{f(a)}{a} = \resaltar{g(a)}

    设 a≠0a \neq 0。若 ff 在 aa 处连续,则 g(x)=f(x)xg(x) = \frac{f(x)}{x} 也连续:由连续函数运算中的商法则,分母在 aa 处不为零;但同一道题证明了 gg 在 aa 处不连续。因此 ff 在 aa 处不连续,由可导必连续定理,它在 aa 处不可导。

例题 5可导函数的绝对值

设 ff 是定义在包含 aa 的开区间上的函数,在 aa 处可导,且 f(a)=0f(a) = 0。证明 F=∣f∣F = \abs{f} 在 aa 处的单侧导数为 ∣f′(a)∣\abs{f'(a)} 和 −∣f′(a)∣-\abs{f'(a)},因此它在 aa 处可导当且仅当 f′(a)=0f'(a) = 0。把结论应用于 ∣sin⁡x∣\abs{\sin x} 和 ∣x3∣\abs{x^3}(在 00 处)。

解答

  1. F(x)−F(a)x−a=∣f(x)∣−∣f(a)∣x−a=∣φ(x)∣∣x−a∣x−a={∣φ(x)∣x>a−∣φ(x)∣x<a\frac{F(x) - F(a)}{x - a} = \frac{\abs{f(x)} - \abs{f(a)}}{x - a} = \frac{\abs{\varphi(x)}\abs{x - a}}{x - a} = \begin{cases} \abs{\varphi(x)} & x > a \\ -\abs{\varphi(x)} & x < a \end{cases}

    由卡拉泰奥多里刻画,f(x)=φ(x)(x−a)f(x) = \varphi(x)(x - a),其中 φ\varphi 在 aa 处连续,且 φ(a)=f′(a)\varphi(a) = f'(a)。取绝对值后,因子 ∣x−a∣\abs{x - a} 在右侧为 x−ax - a,在左侧为 a−xa - x。

  2. F+′(a)=∣f′(a)∣,F−′(a)=−∣f′(a)∣,∣f′(a)∣=−∣f′(a)∣⇔f′(a)=0F'_+(a) = \abs{f'(a)}, \qquad F'_-(a) = -\abs{f'(a)}, \qquad \abs{f'(a)} = -\abs{f'(a)} \Leftrightarrow \resaltar{f'(a) = 0}

    函数 ∣φ∣\abs{\varphi} 由连续函数的复合在 aa 处连续,并趋于 ∣f′(a)∣\abs{f'(a)}。由导数与单侧导数命题,FF 在 aa 处可导当且仅当两个单侧导数相等,即 ∣f′(a)∣=−∣f′(a)∣\abs{f'(a)} = -\abs{f'(a)}。

  3. sin⁡xx→1≠0,x3x=x2→0\frac{\sin x}{x} \to 1 \neq 0, \qquad \frac{x^3}{x} = x^2 \to \resaltar{0}

    正弦满足 sin⁡0=0\sin 0 = 0,它在 00 处的差商为 sin⁡xx\frac{\sin x}{x},由第一重要极限趋于 11:∣sin⁡x∣\abs{\sin x} 在 00 处的单侧导数为 11 和 −1-1,不可导。立方函数在 00 处的差商为 x2x^2,趋于 00:∣x3∣\abs{x^3} 在 00 处可导,导数为 00。

练习题

这些问题按难度递增:第一题在圆与球的几何中解读导数;第二题寻找过给定点的法线;第三题说明在函数跳跃的地方,单侧导数仍可能存在;第四题把由导数得到的切线与圆的切线相比较;最后一题研究一个看似导数而并非导数的商。每个问题都有一个提示,最好在自己尝试之后再打开。

练习题 1圆的面积与球的体积

设 A(r)=πr2A(r) = \pi r^2 是半径为 rr 的圆的面积,V(r)=43πr3V(r) = \frac{4}{3}\pi r^3 是半径为 rr 的球的体积。用定义计算 dAdr\frac{\mathrm{d}A}{\mathrm{d}r} 和 dVdr\frac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}r},并辨认每个结果。

提示

展开 (r+h)2(r + h)^2 和 (r+h)3(r + h)^3,在取极限之前化简差商。面积的增量是宽为 hh 的圆环的面积。

答案
dAdr=2πr,dVdr=4πr2\frac{\mathrm{d}A}{\mathrm{d}r} = 2\pi r, \qquad \frac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}r} = 4\pi r^2

它们是圆的周长和球面的面积。

练习题 2过一点的法线

求抛物线 y=x2y = x^2 上所有法线过点 (0,1)(0, 1) 的点,并写出这些法线。

提示

在 (a,a2)(a, a^2) 处的法线斜率为 −12a-\frac{1}{2a}(若 a≠0a \neq 0);令它过 (0,1)(0, 1)。不要忘记 a=0a = 0 的情形,此时导数为零,法线是竖直的。

答案

三个点:(0,0)(0, 0),法线为 x=0x = 0;以及 (±22,12)\left(\pm\frac{\sqrt{2}}{2}, \frac{1}{2}\right),法线为 y=1∓x2y = 1 \mp \frac{x}{\sqrt{2}}。

练习题 3整数部分的单侧导数

证明整数部分 E(x)=⌊x⌋E(x) = \lfloor x \rfloor 在每个非整数实数处可导,导数为 00;在每个整数 nn 处有右导数 00,但没有左导数。这与可导必连续定理矛盾吗?

提示

在整数 nn 处,函数在右侧等于 nn,在左侧等于 n−1n - 1:差商在右侧为 00,在左侧为 −1x−n\frac{-1}{x - n}。对于最后一问,把定理的假设与在 nn 处发生的情况比较。

答案
E′(x)=0(x∉Z),E+′(n)=0,lim⁡x→n−E(x)−E(n)x−n=∞E'(x) = 0 \quad (x \notin \mathbb{Z}), \qquad E'_+(n) = 0, \qquad \lim_{x \to n^-} \frac{E(x) - E(n)}{x - n} = \infty

没有矛盾:函数在 nn 处不可导;右导数只给出右连续性(即把定理应用于 EE 在 [n,∞)\ico{n}{\infty} 上的限制),而右连续性确实成立。

练习题 4圆的切线

设 f(x)=1−x2f(x) = \sqrt{1 - x^2},它是圆心为 (0,0)(0, 0)、半径为 11 的上半圆。计算 f′(a)f'(a)(其中 −1<a<1-1 < a < 1),证明切线垂直于连接原点与 (a,f(a))(a, f(a)) 的半径,如同关于圆的课中那样,并研究在 a=±1a = \pm 1 处的情况。

提示

把差商的分子分母同乘 1−(a+h)2+1−a2\sqrt{1 - (a + h)^2} + \sqrt{1 - a^2}。若 a≠0a \neq 0,半径的斜率为 f(a)a\frac{f(a)}{a};若 a=0a = 0,半径是竖直的。在 a=1a = 1 处只有左侧有定义域中的点。

答案
f′(a)=−a1−a2,−a1−a2⋅1−a2a=−1(a≠0)f'(a) = -\frac{a}{\sqrt{1 - a^2}}, \qquad -\frac{a}{\sqrt{1 - a^2}} \cdot \frac{\sqrt{1 - a^2}}{a} = -1 \quad (a \neq 0)

在 a=0a = 0 处,切线水平,半径竖直。在 a=1a = 1 处差商趋于 −∞-\infty,在 a=−1a = -1 处趋于 ∞\infty:ff 在 ±1\pm 1 处不可导,其图像在那里有竖直切线。

练习题 5对称差商

设 ff 定义在包含 aa 的开区间上。证明:若 ff 在 aa 处可导,则 lim⁡h→0f(a+h)−f(a−h)2h=f′(a)\lim_{h \to 0} \frac{f(a + h) - f(a - h)}{2h} = f'(a)。用 f(x)=∣x∣f(x) = \abs{x} 在 a=0a = 0 处的情形证明,即使 ff 不可导,这个极限也可能存在。

提示

对 hh 和对 −h-h 各写出线性近似,再相减:余项给出 o⁡(h)\operatorname{o}(h)。对于绝对值,分子是 ∣h∣−∣−h∣\abs{h} - \abs{-h}。

答案
f(a+h)−f(a−h)2h=f′(a)+R(h)−R(−h)2h→f′(a),∣h∣−∣−h∣2h=0\frac{f(a + h) - f(a - h)}{2h} = f'(a) + \frac{R(h) - R(-h)}{2h} \to f'(a), \qquad \frac{\abs{h} - \abs{-h}}{2h} = 0

绝对值的对称差商为 00(在 00 处),而它在那里不可导。

详细解答

解答

  1. f(a+h)=f(a)+f′(a)h+R(h),f(a−h)=f(a)−f′(a)h+R(−h)f(a + h) = f(a) + f'(a)h + R(h), \qquad f(a - h) = f(a) - f'(a)h + R(-h)

    由线性近似,取 L=f′(a)L = f'(a),余项 RR 满足 R(h)h→0\frac{R(h)}{h} \to 0。把 hh 换成 −h-h,由复合函数的极限定理,也有 R(−h)−h→0\frac{R(-h)}{-h} \to 0。

  2. f(a+h)−f(a−h)2h=f′(a)+12⋅R(h)h+12⋅R(−h)−h→f′(a)\frac{f(a + h) - f(a - h)}{2h} = f'(a) + \frac{1}{2} \cdot \frac{R(h)}{h} + \frac{1}{2} \cdot \frac{R(-h)}{-h} \to \resaltar{f'(a)}

    两式相减并除以 2h2h;由线性组合的极限定理,两个余项的商都给出 00。

  3. ∣h∣−∣−h∣2h=0,f+′(0)=1≠−1=f−′(0)\frac{\abs{h} - \abs{-h}}{2h} = \resaltar{0}, \qquad f'_+(0) = 1 \neq -1 = f'_-(0)

    对于绝对值在 00 处的情形,分子对一切 hh 都为零,对称差商趋于 00;然而单侧导数为 11 和 −1-1。对称差商把两个单侧斜率平均,从而掩盖了尖角。