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Topos Uranos

复合函数求导的链式法则

摘要

本课证明链式法则:若 gg 在 aa 处可导,且 ff 在 g(a)g(a) 处可导,则复合函数 f∘gf \circ g 在 aa 处可导,其导数为乘积 f′(g(a)) g′(a)f'(g(a)) \, g'(a)。证明使用卡拉泰奥多里刻画,它不作任何除法;本课解释为什么除以 g(x)−g(a)g(x) - g(a) 的那种论证是不够的,以及在什么情形下它可行。借助该法则,幂、根式、有理函数和三角函数的复合函数只需几行即可求导,而用前面的法则,这些求导要么需要冗长的推演,要么无法做到。本课还关注复合函数的定义域,导数公式并不显示它;本课并以莱布尼茨记号表述该法则,在这种记号下它看起来像分数的约分,其实并不是。

学习目标

  1. 用卡拉泰奥多里刻画证明链式法则,并解释为什么除以 g(x)−g(a)g(x) - g(a) 的证明在 g′(a)=0g'(a) = 0 时失效。
  2. 求两个或更多已知函数的复合函数的导数,并在各个导数所对应的点处取值。
  3. 在求导之前确定复合函数的定义域,并认识到该法则的条件是充分的,而不是必要的。
  4. 用莱布尼茨记号书写和阅读链式法则。

复合函数的导数

用关于求导法则的课中的法则和关于初等函数的导数的课中的公式,可以求 (2x2+1)12\left(2x^2 + 1\right)^{12} 的导数,但只能把这个幂展开成 2424 次多项式,或者一次又一次地应用乘积法则。而 sin⁡(cos⁡x)\sin(\cos x) 和 1+x2\sqrt{1 + x^2} 目前还无法求导:没有任何法则说明如何处理作用在另一个函数上的函数。这两个表达式都是复合函数:(2x2+1)12\left(2x^2 + 1\right)^{12} 是幂 t12t^{12} 在 t=2x2+1t = 2x^2 + 1 处的值,sin⁡(cos⁡x)\sin(\cos x) 是正弦在 t=cos⁡xt = \cos x 处的值。

有两种特殊情形已经知道。关于初等函数的课中的例题 2 证明了:f(cx+b)f(cx + b) 在 aa 处的导数为 cf′(ca+b)c f'(ca + b);内层函数是线性的,斜率为 cc,外层函数的导数在点 ca+bca + b 处取值,而不是在 aa 处。关于求导法则的课中的练习题 4 用归纳法得到:(f(x))n\left(f(x)\right)^n 在 aa 处的导数为 n(f(a))n−1f′(a)n \left(f(a)\right)^{n - 1} f'(a)。在这两种情形中,导数都是一个乘积:外层函数的导数(在内层函数的值处取值)乘以内层函数的导数。其思想就是变化率的思想:如果 t=g(x)t = g(x) 的变化速度为 g′(a)g'(a) 倍(相对于 xx),而 f(t)f(t) 的变化速度为 f′(g(a))f'(g(a)) 倍(相对于 tt),那么 f(g(x))f(g(x)) 的变化速度为 f′(g(a)) g′(a)f'(g(a)) \, g'(a) 倍(相对于 xx)。

定理链式法则

设 gg 是定义在 AA 上的函数,在点 aa(AA 中的点,且是 AA 的聚点)处可导;ff 是定义在集合 BB(包含 gg 的所有值)上的函数,在 b=g(a)b = g(a) 处可导。则 f∘gf \circ g 在 aa 处可导,且

(f∘g)′(a)=f′(g(a)) g′(a)(f \circ g)'(a) = f'(g(a)) \, g'(a)

用卡拉泰奥多里刻画分解这两个增量,再把它们依次衔接:ff 的增量在 t=g(x)t = g(x) 处取值,gg 的增量代替 t−bt - b。图中取 g(x)=x2g(x) = x^2、f(t)=sin⁡tf(t) = \sin t 和 a=1a = 1,显示 gg 的割线与切线、ff 在 b=1b = 1 处的割线与切线,最后显示 sin⁡(x2)\sin\left(x^2\right) 的割线与切线,其在 11 处的斜率为乘积 cos⁡1⋅2\cos 1 \cdot 2。

证明

  1. g(x)−g(a)=ψ(x)(x−a),x∈A,f(t)−f(b)=φ(t)(t−b),t∈Bg(x) - g(a) = \dato{psi}{\psi(x)(x - a)}, \quad x \in A, \qquad f(t) - f(b) = \dato{fi}{\varphi(t)(t - b)}, \quad t \in B

    由关于作为极限的导数的课中的导数的刻画定理,存在 ψ ⁣:A→R\psi \colon A \to \mathbb{R}(在 aa 处连续,且 ψ(a)=g′(a)\psi(a) = g'(a))和 φ ⁣:B→R\varphi \colon B \to \mathbb{R}(在 bb 处连续,且 φ(b)=f′(b)\varphi(b) = f'(b)),使得:

  2. f(g(x))−f(g(a))=φ(g(x))(g(x)−g(a))=φ(g(x)) ψ(x)(x−a)f(g(x)) - f(g(a)) = \varphi(g(x)) \left(g(x) - g(a)\right) = \resaltar{\varphi(g(x)) \, \psi(x)}(x - a)

    设 xx 属于 AA。数 t=g(x)t = g(x) 属于 BB,第二个等式对它成立,不论它是否等于 bb;然后用第一个分解代替 t−b=g(x)−g(a)t - b = g(x) - g(a)。

  3. γ(a)=φ(g(a)) ψ(a)=φ(b) ψ(a)=f′(g(a)) g′(a)\gamma(a) = \varphi(g(a)) \, \psi(a) = \varphi(b) \, \psi(a) = \resaltar{f'(g(a)) \, g'(a)}

    由于 gg 在 aa 处可导,由可导必连续定理,它在 aa 处连续;而 φ\varphi 在 b=g(a)b = g(a) 处连续。由关于极限与连续性的课中的连续函数的复合定理,φ∘g\varphi \circ g 在 aa 处连续,而因子 γ=(φ∘g) ψ\gamma = (\varphi \circ g) \, \psi 由连续函数运算中的乘积法则也连续。由于 aa 是 AA(即 f∘gf \circ g 的定义域)的聚点,卡拉泰奥多里刻画给出导数。

若 gg 在整个 AA 上可导,ff 在整个 BB 上可导,则该法则在 AA 的每个聚点处成立,并可写成函数之间的等式:(f∘g)′=(f′∘g) g′(f \circ g)' = (f' \circ g) \, g'。外层函数的导数在 g(x)g(x) 处取值,而不是在 xx 处;这是应用该法则时最常见的错误。这个证明的优势在于它的第二部分:ff 的分解在 t=bt = b 处也成立,在那里它的两边都为零,因此不论 gg 是否重复它的值 g(a)g(a)(在 aa 附近),都无关紧要。