摘要
本课把导数读作它在应用中所度量的东西:一个量随另一个量变化时变化的快慢。本课区分平均变化率、瞬时变化率和相对变化率及其单位,并刻画相对变化率恒定的增长。本课研究沿直线的运动,包括位置、速度、速率和加速度,并证明导数在某一时刻的符号说明了什么、又没有说明什么。最后,当几个依赖于时间的量由一个关系联系在一起时,链式法则也把它们的变化率联系起来:这就是相关变化率,用一个明确的方法求解。
学习目标
- 把导数解释为瞬时变化率(连同其单位),并把它与平均变化率和相对变化率区分开来。
- 用位置、速度、速率和加速度描述直线运动,并证明导数在某一时刻的符号对邻近的值说明了什么。
- 用明确的方法求解相关变化率问题,并论证所求导的量是可导的。
- 把乘积与幂的相对变化率同对数导数联系起来,把加速度同一个关系式的二阶导数联系起来。
作为变化率的导数
关于作为极限的导数的课从两个问题得到了同一个定义:切线的斜率和瞬时速度。这两者都是一个更一般的问题的特例。每当一个量依赖于另一个量,例如圆的面积依赖于它的半径、动点的位置依赖于时间、一截细杆的质量依赖于它的长度,就需要知道后者变化时前者变化得有多快。
设 是定义在开区间 上的函数,它把一个量 表示为另一个量 的函数,又设 和 是 中的点,且 。 关于 在 与 之间的平均变化率是商
若 在 处可导,则 关于 在 处的瞬时变化率(简称变化率)是 ;若还有 ,则在 处的相对变化率是商 。
平均变化率是割线的斜率,瞬时变化率是它的极限,即切线的斜率。两者的单位都是 的单位每 的单位:若 是长度、 是时间,则为米每秒;若 是一截细杆的质量、 是它的长度,则为千克每米。在后一种情形中,若 是一个端点与距离为 的点之间那一截的质量,则变化率 就是细杆在该点处的线密度:围绕该点的极短一截所具有的单位长度的质量。相对变化率则只以 的单位的倒数来度量(每秒、每天):它不依赖于度量 所用的单位,因此可以比较性质不同或大小不同的量的变化。它就是关于指数中的变量的课中的对数导数,常常用百分数表示:每天 的相对变化率就是每天百分之 3。
一个几何例子说明怎样解读变化率。半径为 的圆的面积是 ,它关于半径的变化率是 ,即周长,这正是关于作为极限的导数的课中练习题 1 要求验证的。原因很清楚:半径增加 时,面积增加一个宽为 的圆环,其面积几乎等于周长乘以 。
设 和 是实数,并设 (对任意实数 )。则 的相对变化率在每一时刻都等于 ,并且对任意 和任意 有:
特别地,若 ,则该量在每个长为 的时间区间内翻一番,无论该区间从哪一时刻开始;若 ,则它在每个长为 的区间内减半。
证明
由关于指数中的变量的课中与指数函数和对数的复合的推论,取 ,函数 在整个 上可导,且其导数是函数本身的 倍,而函数本身不为零。
由指数运算法则,相隔长为 的区间的两个值之比与 无关。
由于指数函数是单射,该比值等于 当且仅当 ,等于 当且仅当 。
无限制环境中的细菌种群,或一块放射性物质的质量,都近似地以恒定的相对变化率变化,该命题解释了为什么它们具有固定的倍增时间或固定的半衰期。函数 是相对变化率恒为 的仅有的函数,这一点是正确的,但它的证明需要知道:在一个区间上导数为零的函数是常数,而这是下一单元中值定理的推论。
正在加载内容…
已完成
登录账户以保存您的进度