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Topos Uranos

导数:总结与挑战

摘要

本课结束关于导数的单元。它把本单元十节课所证明的内容汇成一条演绎链:导数作为差商的极限,它的三种等价刻画以及求导法则,这些法则全都由卡拉泰奥多里分解得到,而不必除以可能为零的量,另外还有初等函数的导数与链式法则;介值定理与反函数的连续性,它们支撑反函数的导数,以及把任意底数的幂和指数函数化归为自然指数函数;还有高阶导数、微分与变化率。本课说明本单元如何依托前一单元以及代数与几何 I 和 II,又如何为导数的应用作准备。最后是一份与入门测评平行的结业测评,以及十道挑战题,它们比各课的题目更难,每一道都把好几节课的结果结合起来。

学习目标

  1. 按逻辑顺序陈述本单元的主要定义与定理,指出每一个依赖于哪些先前的结果,以及卡拉泰奥多里分解在哪些证明中被再次使用。
  2. 区分本单元承认的内容与它证明的内容,并辨认每个结果的假设,例如反函数的导数的假设,或隐函数求导所要求的假设。
  3. 把本单元的结果与关于极限与连续性的单元、代数与几何 I 和 II 以及导数的应用联系起来。
  4. 解决非常规的问题,这些问题结合了导数的定义、求导法则、链式法则、介值定理、反函数的导数、变指数的幂、高阶导数、微分与变化率。

本单元的收获

整个单元建立在一个想法之上:导数是一个极限,而前一单元已经提供了计算和处理它所需的一切。但差商是一个除法,而除以一个可能为零的增量,正是有缺陷的证明的根源。卡拉泰奥多里刻画用一个乘积代替除法,其中有一个因子 φ\varphi,它在 aa 处连续:

f(x)−f(a)=φ(x)(x−a),φ(a)=f′(a)f(x) - f(a) = \varphi(x)(x - a), \qquad \varphi(a) = f'(a)

有了它,证明一个函数可导就归结为用一个连续的因子分解它的增量,而因子的连续性由前一单元的定理来判定。线性组合、乘积与倒数的求导法则、链式法则以及反函数的导数就是这样得到的,每一个都引用前面的结果,而不是重新推导。

定义与法则

关于作为极限的导数的课从切线和速度两方面得到同一个定义,并确定了它在何处有意义:在定义域中作为定义域聚点的点处。它把导数写成量词化的命题,把单侧导数定义为差商的单侧极限,定义了切线和法线、导函数以及莱布尼茨记号,并证明导数有三种等价的表述:差商的极限、近似 f(a+h)=f(a)+f′(a)h+o⁡(h)f(a + h) = f(a) + f'(a)h + \operatorname{o}(h) 以及卡拉泰奥多里分解。由最后一种,只用两行就得出可导必连续;绝对值和立方根表明反过来不成立。关于求导法则的课先证明导数只依赖于该点附近发生的事情,然后把分解组合起来,得到线性组合、乘积、倒数与商的求导法则;用这些法则,它对整数指数幂、多项式和有理函数求导,并在两部分的分界点处判定可导性,在那里各个公式的导数是不够的。关于初等函数的导数的课由第一重要极限和和角公式得到正弦与余弦的导数,由重要极限得到自然指数函数与 ln⁡∣x∣\ln \abs{x} 的导数,既不用链式法则也不用反函数求导法则,再用求导法则得到其余三角函数与双曲函数的导数。关于链式法则的课把两个分解接续起来,解释了为什么除以 g(x)−g(a)g(x) - g(a) 的证明在内层函数重复取值时失效,注意了复合函数的定义域,并用莱布尼茨记号写出该法则,在这种记号下它看起来像分式的约分,其实并不是。

连续性、反函数与指数

关于介值定理的课用函数取负值的点的集合的上确界和保号性证明了波尔查诺定理,并由它得到介值定理、区间在连续函数下的像是区间,以及在区间上连续且严格单调的函数的反函数是连续的;二分法把这一证明变成了一个程序。关于反函数的导数的课把卡拉泰奥多里分解倒过来读:若 f′(a)≠0f'(a) \neq 0,则因子不为零,它的倒数与连续的反函数复合后分解了反函数的增量;若 f′(a)=0f'(a) = 0,则链式法则使反函数不可能可导。用这个定理,它对反三角函数、反双曲函数、根式以及有理数指数幂求导,并对隐函数求导,在每种情形下都假定它们存在且可导。关于指数中的变量的课借助 ax=exln⁡aa^x = e^{x \ln a} 与 (f(x))g(x)=eg(x)ln⁡f(x)\left(f(x)\right)^{g(x)} = e^{g(x) \ln f(x)} 把一切化归为自然指数函数:它对任意底数的指数函数与对数、实数指数幂以及底数和指数都变化的幂求导,通过在取对数之前先证明可导性来论证对数求导法的合理性,并借助过原点的对数曲线的切线判定了 πe<eπ\pi^e < e^\pi。

高阶导数与变化率

关于高阶导数与微分的课用递归定义了高阶导数及其定义域,并用归纳法证明了幂、指数函数、正弦与余弦的 nn 阶导数公式,以及具有牛顿二项式系数的莱布尼茨公式。它分别赋予 dy\mathrm{d}y 与 dx\mathrm{d}x 以意义:微分 dy=f′(x) dx\mathrm{d}y = f'(x) \, \mathrm{d}x 是增量中唯一的线性部分,它与增量之差相对于 Δx\Delta x 可忽略;它用微分来近似计算数值并估计误差的传播,但不给出近似误差的界,那需要后面的工具。关于变化率的课把导数理解为一个量变化的快慢:它区分了平均变化率、瞬时变化率与相对变化率,刻画了相对变化率恒定的增长,用速度、速率与加速度描述了直线上的运动,证明了一点处导数的符号对附近的值说明了什么,且仅此而已,并以链式法则为基础给出了处理相关变化率的明确方法。

承认什么、证明什么、留下什么

本单元的总结可以概括如下:

  • 承认的有:完备性公理,在本单元中只有波尔查诺定理直接用到它;关于极限与连续性的单元中的定理;以及在代数与几何中证明过的结果:和角公式、基本恒等式、指数与对数的运算法则、不等式 ex≥1+xe^x \geq 1 + x、定义反函数的那些函数的单调性、归纳法和牛顿二项式定理。此外,在每种情形下都假定,当对一个方程作隐函数求导时,它确定了一个可导函数。
  • 证明了代数与几何曾经承认或预告的事实:介值定理,exe^x 的图像在 (0,1)(0, 1) 处的切线斜率为 11,以及 ee 是其指数函数具有这一斜率的唯一底数;而切线原先对圆锥曲线定义为与曲线相触而不相割的直线,现在对任意图像都有了定义。
  • 再次使用四个工具,而不重复论证:卡拉泰奥多里分解、可导必连续定理、导数的局部性以及保号性。
  • 留待以后的是需要比一点处的导数更多的东西:中值定理及由它推出的结论、由导数符号判定单调性、极值、洛必达法则以及微分的误差界,在下一单元;泰勒多项式与积分,在微积分 II;保证隐函数存在的定理,在多元微积分中。

下图把三段汇成一条链。中间一列的每个节点是一个定义或一个定理,按逻辑顺序编号,并用弧线连到其证明所用到的前面的环节;四周浮动的是支柱,即这条链一再求助的原理和工具,每个支柱用实线连到依靠它的环节,并用虚线连到确立它的那个环节,只有来自前一单元或代数与几何的支柱例外,它们画成圆环。点击一个支柱,会突出显示所有用到它的环节;每个环节都链接到证明它的那一课。

链的支柱

  • A完备性公理. 从代数与几何 I 起承认:实数构成一个完备有序域,即每个非空且有上界的实数集都有上确界。 本单元中不加证明而采用。
  • B第 1 单元的遗产. 在关于极限与连续性的单元中证明的结果:极限的运算法则,包括限制的极限与复合的极限;单侧极限;连续性、运算的连续性与复合的连续性;初等函数的连续性以及像为区间的单调函数的反函数的连续性;sin⁡hh\frac{\sin h}{h}、1−cos⁡hh\frac{1 - \cos h}{h}、eh−1h\frac{e^h - 1}{h} 与 ln⁡(1+h)h\frac{\ln(1 + h)}{h} 在 00 处的极限;以及小 o⁡\operatorname{o} 与等价。 本单元中不加证明而采用。
  • C保号性. 在关于极限与连续性的单元中证明:若 ff 在 aa 处趋于极限 L≠0L \neq 0,则在 aa 附近该函数与 LL 同号;若 ff 在 aa 处连续且 f(a)≠0f(a) \neq 0,则在 aa 附近它与 f(a)f(a) 同号且不为零。 本单元中不加证明而采用。
  • D代数与几何的遗产. 在代数与几何 I 和 II 中证明的结果:归纳法、牛顿二项式定理与帕斯卡法则;三角函数与双曲函数的和角公式与基本恒等式;指数与对数的运算法则、换底公式与不等式 ex≥1+xe^x \geq 1 + x;以及定义反三角函数的那些限制的单调性和双曲函数的单调性。 本单元中不加证明而采用。
  • E卡拉泰奥多里分解. ff 在 aa 处可导且 f′(a)=Lf'(a) = L,当且仅当存在函数 φ\varphi,它在 aa 处连续,φ(a)=L\varphi(a) = L,并且在整个定义域上 f(x)−f(a)=φ(x)(x−a)f(x) - f(a) = \varphi(x)(x - a):求导只需分解增量,无须作除法。 确立于: 3. 三种刻画.
  • F可导必连续. 在一点可导的函数在该点连续;求导法则用这一点来保证卡拉泰奥多里因子是连续的。 确立于: 4. 可导必连续.
  • G局部性. 把函数限制到一个集合上时,aa 处的导数不变,只要 aa 仍是该集合的聚点;并且导数只依赖于 aa 附近的值;因此可以在定义域的交集上或在一个开区间内进行讨论。 确立于: 5. 导数的局部性.
  1. 第 1 段 定义与法则

    • 在定义域的聚点处把导数定义为差商的极限,连同其单侧导数,并把它写成量词化的命题。
    • 证明差商、线性近似与卡拉泰奥多里分解三者等价,并推出可导必连续,但反过来不成立。
    • 用分解而不除以增量,得到线性组合、乘积、倒数与商的求导法则,并对多项式、有理函数和分段函数求导。
    • 用前一单元的极限对三角函数、指数函数、对数函数与双曲函数求导,并用链式法则对它们的复合求导。
    1. 导数的定义. 若 aa 是定义域 AA(即 ff 的定义域)的一个元素,且是 AA 的聚点,则称 f′(a)=Lf'(a) = L,如果 (∀ε>0)(∃δ>0)(∀x∈A)(0<∣x−a∣<δ→∣f(x)−f(a)x−a−L∣<ε)(\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);等价地,lim⁡h→0f(a+h)−f(a)h=L\lim_{h \to 0} \frac{f(a + h) - f(a)}{h} = L。

      依据: B (第 1 单元的遗产). 证明于: 作为函数极限的导数.

    2. 单侧导数. 单侧导数 f+′(a)f'_+(a) 与 f−′(a)f'_-(a) 是差商的单侧极限;若 aa 是定义域在两侧的聚点,则 ff 在 aa 处可导当且仅当两者都存在且相等;若它只在一侧是聚点,则导数就是那一侧的导数。

      使用: 1. 导数的定义. 依据: B (第 1 单元的遗产). 证明于: 作为函数极限的导数.

    3. 三种刻画. 以下三者等价:f′(a)=Lf'(a) = L;f(a+h)=f(a)+Lh+o⁡(h)f(a + h) = f(a) + Lh + \operatorname{o}(h)(当 hh 趋于 00 时);以及存在函数 φ\varphi,它在 aa 处连续,φ(a)=L\varphi(a) = L,并且 f(x)−f(a)=φ(x)(x−a)f(x) - f(a) = \varphi(x)(x - a) 对定义域中的任意 xx 成立。

      使用: 1. 导数的定义. 依据: B (第 1 单元的遗产). 证明于: 作为函数极限的导数.

    4. 可导必连续. 若 ff 在 aa 处可导,则它在 aa 处连续;逆命题不成立:∣x∣\abs{x} 与 x3\sqrt[3]{x} 在 00 处连续,但在 00 处不可导。

      使用: 2. 单侧导数, 3. 三种刻画. 依据: B (第 1 单元的遗产), E (卡拉泰奥多里分解). 证明于: 作为函数极限的导数.

    5. 导数的局部性. 若 FF 是 ff 在集合 BB 上的限制,该集合包含 aa 且 aa 是它的聚点,又 ff 在 aa 处可导,则 F′(a)=f′(a)F'(a) = f'(a);若 BB 包含定义域中 aa 附近的所有点,则 ff 在 aa 处可导当且仅当 FF 在该点可导。

      使用: 1. 导数的定义. 依据: B (第 1 单元的遗产). 证明于: 求导法则.

    6. 线性组合与乘积. 若 ff 与 gg 在 aa 处可导,则 αf+g\alpha f + g 与 fgfg 也在该点可导,且 (αf+g)′(a)=αf′(a)+g′(a)(\alpha f + g)'(a) = \alpha f'(a) + g'(a),(fg)′(a)=f′(a) g(a)+f(a) g′(a)(fg)'(a) = f'(a) \, g(a) + f(a) \, g'(a)。

      使用: 3. 三种刻画, 4. 可导必连续. 依据: B (第 1 单元的遗产), E (卡拉泰奥多里分解), F (可导必连续). 证明于: 求导法则.

    7. 倒数与商. 若 ff 与 gg 在 aa 处可导且 g(a)≠0g(a) \neq 0,则 aa 是 fg\frac{f}{g} 的定义域的聚点,并且 (1g)′(a)=−g′(a)(g(a))2\left(\frac{1}{g}\right)'(a) = -\frac{g'(a)}{\left(g(a)\right)^2} 与 (fg)′(a)=f′(a) g(a)−f(a) g′(a)(g(a))2\left(\frac{f}{g}\right)'(a) = \frac{f'(a) \, g(a) - f(a) \, g'(a)}{\left(g(a)\right)^2} 成立。

      使用: 3. 三种刻画, 4. 可导必连续, 5. 导数的局部性, 6. 线性组合与乘积. 依据: B (第 1 单元的遗产), C (保号性), E (卡拉泰奥多里分解), F (可导必连续), G (局部性). 证明于: 求导法则.

    8. 幂、多项式与有理函数. 对任意整数 m≠0m \neq 0,xmx^m 的导数在其整个定义域上为 mxm−1m x^{m - 1};每个多项式在 R\mathbb{R} 上可导,可逐项求导;每个有理函数在其定义域上可导。

      使用: 1. 导数的定义, 6. 线性组合与乘积, 7. 倒数与商. 依据: D (代数与几何的遗产). 证明于: 求导法则.

    9. 分界点处的导数. 若 ff 等于 gg(在 cc 左侧)且等于 hh(在右侧),其中 gg 与 hh 在 cc 处可导,则 ff 在 cc 处可导当且仅当 g(c)=f(c)=h(c)g(c) = f(c) = h(c) 且 g′(c)=h′(c)g'(c) = h'(c);只比较各公式的导数是不够的。

      使用: 2. 单侧导数, 4. 可导必连续. 依据: B (第 1 单元的遗产), F (可导必连续). 证明于: 求导法则.

    10. 三角函数. 对任意实数 xx,ddx(sin⁡x)=cos⁡x\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(\sin x\right) = \cos x 且 ddx(cos⁡x)=−sin⁡x\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(\cos x\right) = -\sin x;在满足 cos⁡x≠0\cos x \neq 0 的点处,ddx(tan⁡x)=1cos⁡2x=1+tan⁡2x\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(\tan x\right) = \frac{1}{\cos^2 x} = 1 + \tan^2 x;余切、正割与余割用商法则和倒数法则求导。

      使用: 1. 导数的定义, 6. 线性组合与乘积, 7. 倒数与商. 依据: B (第 1 单元的遗产), D (代数与几何的遗产). 证明于: 初等函数的导数.

    11. 指数、对数与双曲函数. ddx(ex)=ex\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(e^x\right) = e^x 在 R\mathbb{R} 上成立,ddx(ln⁡∣x∣)=1x\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(\ln \abs{x}\right) = \frac{1}{x} 在 R∖{0}\mathbb{R} \setminus \{0\} 上成立,sinh⁡x\sinh x、cosh⁡x\cosh x 与 tanh⁡x\tanh x 的导数分别为 cosh⁡x\cosh x、sinh⁡x\sinh x 与 1cosh⁡2x\frac{1}{\cosh^2 x}。

      使用: 1. 导数的定义, 6. 线性组合与乘积, 7. 倒数与商. 依据: B (第 1 单元的遗产), D (代数与几何的遗产). 证明于: 初等函数的导数.

    12. 链式法则. 若 gg 在 aa 处可导,且 ff(定义在包含 gg 的各个值的集合上)在 g(a)g(a) 处可导,则 (f∘g)′(a)=f′(g(a)) g′(a)(f \circ g)'(a) = f'(g(a)) \, g'(a);除以 g(x)−g(a)g(x) - g(a) 的证明只在 g′(a)≠0g'(a) \neq 0 时成立。

      使用: 3. 三种刻画, 4. 可导必连续. 依据: B (第 1 单元的遗产), C (保号性), E (卡拉泰奥多里分解), F (可导必连续). 证明于: 复合函数求导的链式法则.

    13. 常见复合函数. 该法则在 f∘gf \circ g 的定义域上成立,只要 aa 是这个定义域的聚点;当 ff 的定义域包含一个以 g(a)g(a) 为中心的区间时即是如此;由此得 ddx((g(x))m)=m(g(x))m−1g′(x)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(\left(g(x)\right)^m\right) = m \left(g(x)\right)^{m - 1} g'(x)(对任意整数 m≠0m \neq 0)、ddx(g(x))=g′(x)2g(x)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(\sqrt{g(x)}\right) = \frac{g'(x)}{2\sqrt{g(x)}}(若 g(a)>0g(a) > 0)以及 ddx(sin⁡g(x))=cos⁡g(x)⋅g′(x)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(\sin g(x)\right) = \cos g(x) \cdot g'(x)。

      使用: 1. 导数的定义, 5. 导数的局部性, 8. 幂、多项式与有理函数, 10. 三角函数, 12. 链式法则. 依据: C (保号性), F (可导必连续), G (局部性). 证明于: 复合函数求导的链式法则.

  2. 第 2 段 连续性、反函数与指数

    • 用上确界证明波尔查诺定理,再由它证明介值定理、区间在连续函数下的像是区间,以及连续且严格单调的函数的反函数是连续的。
    • 把卡拉泰奥多里分解倒过来读,证明反函数的导数公式,并对反三角函数、反双曲函数、根式和有理数指数幂求导。
    • 对隐函数求导,区分导数的计算与导数存在的证明。
    • 把任意底数的指数函数与对数、实数指数幂以及底数和指数都变化的幂化归为自然指数函数,并论证对数求导法的合理性。
    1. 波尔查诺定理. 若 ff 在 [a,b]\icc{a}{b} 上连续,且 f(a)<0<f(b)f(a) < 0 < f(b) 或 f(a)>0>f(b)f(a) > 0 > f(b),则存在一点 cc(位于 (a,b)\ioo{a}{b} 内),使得 f(c)=0f(c) = 0。

      依据: A (完备性公理), C (保号性). 证明于: 介值定理.

    2. 介值定理. 若 ff 在 [a,b]\icc{a}{b} 上连续,则它取到介于 f(a)f(a) 与 f(b)f(b) 之间的每一个值;因此,区间在连续函数下的像是区间。

      使用: 14. 波尔查诺定理. 依据: B (第 1 单元的遗产). 证明于: 介值定理.

    3. 反函数的连续性. 若 ff 在区间 II 上连续且严格单调,则其反函数在区间 f(I)f(I) 上连续。

      使用: 15. 介值定理. 依据: B (第 1 单元的遗产). 证明于: 介值定理.

    4. 反函数的导数. 若 ff 在区间 II(含有不止一个点)上连续且严格单调,并在 aa 处可导,且 f′(a)≠0f'(a) \neq 0,则 f−1f^{-1} 在 b=f(a)b = f(a) 处可导,且 (f−1)′(b)=1f′(a)\left(f^{-1}\right)'(b) = \frac{1}{f'(a)};若 f′(a)=0f'(a) = 0,则 f−1f^{-1} 在 bb 处不可导。

      使用: 1. 导数的定义, 3. 三种刻画, 12. 链式法则, 15. 介值定理, 16. 反函数的连续性. 依据: B (第 1 单元的遗产), E (卡拉泰奥多里分解). 证明于: 反函数的导数与隐函数求导.

    5. 初等反函数与根式. 在各自的可导范围内,ddx(arcsin⁡x)=11−x2\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(\arcsin x\right) = \frac{1}{\sqrt{1 - x^2}}、ddx(arctan⁡x)=11+x2\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(\arctan x\right) = \frac{1}{1 + x^2} 与 ddx(arsinh⁡x)=1x2+1\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(\operatorname{arsinh} x\right) = \frac{1}{\sqrt{x^2 + 1}};xn\sqrt[n]{x} 在每个 x≠0x \neq 0(属于其定义域)处可导,在 00 处不可导;并且 ddx(xpq)=pqxpq−1\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(x^{\frac{p}{q}}\right) = \frac{p}{q} x^{\frac{p}{q} - 1} 在 (0,∞)\ioo{0}{\infty} 上成立。

      使用: 8. 幂、多项式与有理函数, 10. 三角函数, 11. 指数、对数与双曲函数, 13. 常见复合函数, 17. 反函数的导数. 依据: B (第 1 单元的遗产), D (代数与几何的遗产). 证明于: 反函数的导数与隐函数求导.

    6. 以 a 为底的指数函数与对数. 若 a>0a > 0 且 a≠1a \neq 1,则 ddx(ax)=axln⁡a\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(a^x\right) = a^x \ln a 且 ddx(log⁡a∣x∣)=1xln⁡a\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(\log_a \abs{x}\right) = \frac{1}{x \ln a};若 uu 在某点可导,则 eu(x)e^{u(x)} 在该点可导,导数为 eu(x)u′(x)e^{u(x)} u'(x);若此外 uu 在该点不为零,则 ln⁡∣u(x)∣\ln \abs{u(x)} 在该点可导,导数为 u′(x)u(x)\frac{u'(x)}{u(x)}。

      使用: 6. 线性组合与乘积, 11. 指数、对数与双曲函数, 12. 链式法则, 13. 常见复合函数. 依据: D (代数与几何的遗产). 证明于: 指数中的变量与对数求导法.

    7. 实数指数幂与变指数幂. 对任意实数 rr,ddx(xr)=rxr−1\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(x^r\right) = r x^{r - 1} 在 (0,∞)\ioo{0}{\infty} 上成立;若 ff(取正值)与 gg 在 aa 处可导,则 F(x)=(f(x))g(x)=eg(x)ln⁡f(x)F(x) = \left(f(x)\right)^{g(x)} = e^{g(x) \ln f(x)} 在 aa 处可导,且 F′(a)=(f(a))g(a)(g′(a)ln⁡f(a)+g(a)f′(a)f(a))F'(a) = \left(f(a)\right)^{g(a)} \left(g'(a) \ln f(a) + \frac{g(a) f'(a)}{f(a)}\right)。

      使用: 6. 线性组合与乘积, 11. 指数、对数与双曲函数, 12. 链式法则, 19. 以 a 为底的指数函数与对数. 依据: D (代数与几何的遗产). 证明于: 指数中的变量与对数求导法.

    8. 对数求导法. 若 f1,…,fkf_1, \ldots, f_k 在 aa 处可导且在 aa 处不为零,并且 fjf_j 为正(当 rjr_j 不是整数时),则 F=f1r1⋯fkrkF = f_1^{r_1} \cdots f_k^{r_k} 在 aa 处可导,且 F′(a)F(a)=r1f1′(a)f1(a)+⋯+rkfk′(a)fk(a)\frac{F'(a)}{F(a)} = r_1 \frac{f_1'(a)}{f_1(a)} + \cdots + r_k \frac{f_k'(a)}{f_k(a)};可导性在取对数之前就已证明。

      使用: 4. 可导必连续, 5. 导数的局部性, 6. 线性组合与乘积, 13. 常见复合函数, 19. 以 a 为底的指数函数与对数, 20. 实数指数幂与变指数幂. 依据: D (代数与几何的遗产), F (可导必连续), G (局部性). 证明于: 指数中的变量与对数求导法.

    9. π 的 e 次方与 e 的 π 次方. 对任意 x>0x > 0 有 x1x≤e1ex^{\frac{1}{x}} \leq e^{\frac{1}{e}},等号仅当 x=ex = e 时成立,因为对数曲线位于其切线 y=xey = \frac{x}{e} 之下;特别地,πe<eπ\pi^e < e^\pi。

      使用: 11. 指数、对数与双曲函数. 依据: D (代数与几何的遗产). 证明于: 指数中的变量与对数求导法.

  3. 第 3 段 高阶导数与变化率

    • 定义高阶导数,并用归纳法证明幂、指数函数、正弦与余弦的 nn 阶导数公式以及莱布尼茨公式。
    • 分别赋予 dy\mathrm{d}y 与 dx\mathrm{d}x 以意义,证明微分是增量的主部,并用它进行近似和误差估计,但不给出误差的界。
    • 把导数理解为平均变化率、瞬时变化率与相对变化率,并用它描述直线上的运动。
    • 用链式法则和一种明确的方法解决相关变化率问题。
    1. 高阶导数. f(0)=ff^{(0)} = f 且 f(n+1)=(f(n))′f^{(n + 1)} = \left(f^{(n)}\right)',每一个的定义域由它前面那个导数可导的点组成;若 ff 与 gg 在一个开区间上 nn 次可导,则 (αf+g)(n)=αf(n)+g(n)\left(\alpha f + g\right)^{(n)} = \alpha f^{(n)} + g^{(n)}。

      使用: 6. 线性组合与乘积. 依据: D (代数与几何的遗产), G (局部性). 证明于: 高阶导数与微分.

    2. n 阶导数. 在 (0,∞)\ioo{0}{\infty} 上,dndxn(xr)=r(r−1)⋯(r−n+1) xr−n\frac{\mathrm{d}^n}{\mathrm{d}x^n}\left(x^r\right) = r(r - 1)\cdots(r - n + 1) \, x^{r - n};对任意实数 xx,dndxn(ecx)=cnecx\frac{\mathrm{d}^n}{\mathrm{d}x^n}\left(e^{cx}\right) = c^n e^{cx} 且 dndxn(sin⁡x)=sin⁡(x+nπ2)\frac{\mathrm{d}^n}{\mathrm{d}x^n}\left(\sin x\right) = \sin\left(x + \frac{n\pi}{2}\right);多项式 ff 的系数是数 f(k)(0)k!\frac{f^{(k)}(0)}{k!}。

      使用: 8. 幂、多项式与有理函数, 13. 常见复合函数, 19. 以 a 为底的指数函数与对数, 20. 实数指数幂与变指数幂, 23. 高阶导数. 依据: D (代数与几何的遗产). 证明于: 高阶导数与微分.

    3. 莱布尼茨公式. 若 ff 与 gg 在一个开区间上 nn 次可导,则 fgfg 也是如此,且 (fg)(n)=∑k=0n(nk)f(k)g(n−k)(fg)^{(n)} = \sum_{k = 0}^{n} \binom{n}{k} f^{(k)} g^{(n - k)}。

      使用: 6. 线性组合与乘积, 23. 高阶导数. 依据: D (代数与几何的遗产). 证明于: 高阶导数与微分.

    4. 微分. 若 ff 在 aa 处可导,则增量 Δy=f(a+Δx)−f(a)\Delta y = f(a + \Delta x) - f(a) 满足 Δy=dy+o⁡(Δx)\Delta y = \mathrm{d}y + \operatorname{o}(\Delta x),其中 dy=f′(a) Δx\mathrm{d}y = f'(a) \, \Delta x,并且没有其他关于 Δx\Delta x 的线性函数满足它;若 f′(a)≠0f'(a) \neq 0,则 Δy∼dy\Delta y \sim \mathrm{d}y;若 w=f(u)w = f(u),则 dw=f′(u) du\mathrm{d}w = f'(u) \, \mathrm{d}u。

      使用: 3. 三种刻画, 6. 线性组合与乘积, 7. 倒数与商, 12. 链式法则. 依据: B (第 1 单元的遗产). 证明于: 高阶导数与微分.

    5. 恒定的相对变化率. 若 y(t)=y0ekty(t) = y_0 e^{kt},其中 y0>0y_0 > 0 且 k≠0k \neq 0,则相对变化率 y′(t)y(t)\frac{y'(t)}{y(t)} 在每一时刻都等于 kk,且 y(t+T)=ekTy(t)y(t + T) = e^{kT} y(t):该量在每个时长为 ln⁡2∣k∣\frac{\ln 2}{\abs{k}} 的时间区间内加倍或减半。

      使用: 19. 以 a 为底的指数函数与对数. 依据: D (代数与几何的遗产). 证明于: 变化率与相关变化率.

    6. 一点处导数的符号. 若 ff 定义在开区间 II 上,在一点 aa(属于 II)处可导且 f′(a)>0f'(a) > 0,则存在 δ>0\delta > 0,使得对每个 xx(属于 II),有 f(x)<f(a)f(x) < f(a)(当 a−δ<x<aa - \delta < x < a 时)以及 f(x)>f(a)f(x) > f(a)(当 a<x<a+δa < x < a + \delta 时);由此不能推出 ff 在 aa 附近递增。由此可知,当速度与加速度同号时,速率增大。

      使用: 1. 导数的定义, 6. 线性组合与乘积. 依据: C (保号性). 证明于: 变化率与相关变化率.

    7. 相关变化率. 若 uu 在 t0t_0 处可导且 y(t)=g(u(t))y(t) = g(u(t)),其中 gg 在 u(t0)u(t_0) 处可导,则 y′(t0)=g′(u(t0)) u′(t0)y'(t_0) = g'(u(t_0)) \, u'(t_0);两个在某区间的每一时刻都相等、并在 t0t_0 处可导的表达式,在 t0t_0 处有相同的导数。

      使用: 12. 链式法则. 证明于: 变化率与相关变化率.

走向应用. 链在导数不再是研究对象、而成为工具的地方停止:接下来的单元从魏尔斯特拉斯最值定理开始;用一点处导数的符号证明费马引理,并由它证明罗尔定理和中值定理,这两个定理把导数的符号转化为单调性,并给出洛必达法则、极值、凹凸性以及微分所没有的误差界;最后是牛顿-拉弗森方法,它用切线代替曲线。