3第三讲导数与微分法研究
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高等数学导数与微分高等数学是大学数学的一门重要课程,其中导数与微分是其核心内容之一。
导数与微分是数学中研究函数变化率的重要工具,它们在物理、经济学、工程学等领域中有着广泛的应用。
本文将从导数与微分的定义、性质以及应用等方面进行探讨。
导数是描述函数变化率的概念。
具体而言,对于给定的函数,其导数表示函数在某一点上的变化速率。
导数的定义是函数在某一点上的极限,即函数在该点附近随着自变量的微小变化而相应变化的极限值。
导数的计算可以通过求出函数的导数公式,或者利用极限的性质进行计算。
导数具有一些重要的性质。
首先,导数可以用来判断函数在某一点上的增减性。
如果函数在某一点的导数大于0,则函数在该点上是增函数;如果函数在某一点的导数小于0,则函数在该点上是减函数。
其次,导数还可以用来求函数的极值。
函数在极值点处的导数为0,因此可以通过求导数为0的点来确定函数的极值点。
此外,导数还可以用来研究函数的凹凸性、拐点等性质。
微分是导数的一种应用形式。
微分可以看作是导数的微小增量,是函数值的变化量与自变量的变化量之间的关系。
微分可以用来求函数在某一点的近似值,也可以用来求函数的最值。
微分的计算可以通过求导数公式,或者利用微分的定义进行计算。
微分的应用在物理学中有着广泛的应用,比如在运动学中,通过求速度、加速度的微分可以得到物体的位移和速度等信息。
导数与微分在实际问题中有着广泛的应用。
在物理学中,导数与微分可以用来描述物体的运动状态,并求解运动的规律。
在经济学中,导数与微分可以用来分析市场需求曲线、供给曲线等经济现象。
在工程学中,导数与微分可以用来求解最优化问题,比如求解最小曲面积或最小路径等。
导数与微分还在计算机科学、生物学等领域中有着重要的应用。
高等数学中的导数与微分是数学的重要概念,具有广泛的应用价值。
通过对导数与微分的研究,我们可以更好地理解函数的变化规律,并将其应用于实际问题的求解中。
导数与微分的理论基础和实际应用相互支撑,共同构成了数学中重要的一部分。
导数与微分求解函数的导数及微分法则导数和微分是微积分学中的两个基本概念。
在求解函数的导数和微分法则时,导数和微分密切相关。
本文将分别探讨导数和微分的概念以及它们在函数的求导和微分法则中的应用。
一、导数的概念及求解方法导数是用来描述函数变化率的概念,表示函数在某一点处的瞬时变化速率。
对于给定函数f(x),其在点x处的导数可以用极限的形式表示:$f'(x)={\frac{d}{dx}}f(x)=\lim\limits_{\Delta x\to 0}{\frac{f(x+\Delta x)-f(x)}{\Delta x}}$其中$\Delta x$表示自变量x的变化量,在求导的过程中会趋近于0。
函数f(x)在点x处可导的条件是导数$f'(x)$存在。
对于常见的函数,求导有一些常用的求导公式,包括:(1)常数函数的导数为0:$(c)'=0$,其中c为常数。
(2)幂函数的导数:$(x^n)'=nx^{n-1}$,其中n为正整数。
(3)指数函数的导数:$(a^x)'=a^xlna$,其中a为大于0且不等于1的实数。
(4)对数函数的导数:$(log_ax)'={\frac{1}{xlna}}$,其中a为大于0且不等于1的实数。
(5)三角函数的导数:$(sinx)'=cosx$,$(cosx)'=-sinx$,$(tanx)'={\frac{1}{cos^2x}}$。
除了以上常用的公式,可以利用导数的基本运算法则,如加法、减法、乘法和除法法则求导,更多的函数导数求解方法可以在求导的过程中掌握。
二、微分的概念及微分法则微分是函数在一点处的局部线性近似,可以用一次微分式$f'(x)dx$来近似表示$f(x+dx)-f(x)$。
根据微分的定义,得到微分公式:$df=f'(x)dx$其中df即表示函数的微分,dx是自变量x的增量。
微分公式可以推广至多元函数,即对于多元函数有:$df=\sum_{i=1}^n{\frac{\partial f}{\partial x_i}}dx_i$微分法则是指一些常用函数的微分公式,这些公式可以方便地用于求解复合函数和其他函数的微分。
高等数学中的导数与微分方程研究导数和微分方程是高等数学中的重要概念和研究对象。
导数是描述函数变化率的工具,而微分方程则是用来描述自然与社会现象中的关系或规律的数学模型。
导数是函数在某一点处的变化率,是函数的一种基本性质。
具体而言,如果函数在某一点处的斜率存在,那么该点就具有导数。
导数的概念也可由斜线率引申而来,用于描述函数图像在某一点处的切线斜率。
导数可以用符号“f'(x)”表示,其中f表示函数,x表示自变量。
导数的研究在高等数学中有着重要的地位。
基于导数的性质,可以进行函数的极值、最优化、曲率、速度等各种问题的研究。
导数的使用广泛应用于物理学、经济学及工程学等领域,用于描述各种变化的速率和趋势。
微分方程是通过使用导数来描述函数与其导数的关系的方程。
具体而言,微分方程描述了一个函数和它的一些导数之间的关系。
通过微分方程,我们可以建立物理、生物、经济以及其他领域中的模型和描述。
微分方程的研究主要涉及到解微分方程和应用微分方程两个方面。
解微分方程是指找到使得微分方程成立的函数的过程。
微分方程的解有时可以用“f(x)”表示,其中f是函数,x是自变量。
解微分方程需要使用不同的技巧和方法,例如分离变量、线性微分方程、常数变易法、变系数法等。
通过解微分方程,我们可以获得微分方程所描述问题的解析解,进而深入理解问题的性质和特点。
应用微分方程涉及到将微分方程应用于实际问题中。
在科学、工程和经济学中,有许多自然和社会现象可以用微分方程来描述。
例如,牛顿的第二定律可以用微分方程描述物体的运动;生物学中的人口模型、化学反应动力学和电路理论中的振荡等也可以通过微分方程来描述。
应用微分方程需要将实际问题建模为数学形式,然后解出微分方程得到问题的解析解或近似解,最后进行结果的分析和解释。
高等数学中的导数和微分方程的研究是为了深入理解和应用数学在自然科学和社会科学中的重要性。
导数和微分方程的研究使我们能够更好地理解和描述各种变化与运动的规律,并且为科学实践和工程应用提供了强有力的数学工具。
函数的导数与微分函数的导数与微分是微积分中非常重要的概念。
它们给出了函数曲线上各点的斜率以及函数的极小值和极大值所在的位置。
本文将介绍导数和微分的定义、计算方法和应用。
一、导数的定义与计算方法在微积分中,函数f(x)在某一点x处的导数,用f'(x)表示,定义为函数曲线在该点处的切线的斜率。
导数可以告诉我们函数在某一点上的变化率或增长率。
导数的计算方法有以下几种:1. 使用导数的基本公式:根据不同的函数类型,可以利用基本导数公式推导出具体函数的导数。
例如,对于常数函数f(x) = c,c为常数,其导数为0;对于幂函数f(x) = x^n,其中n为整数,其导数为f'(x) =nx^(n-1);对于指数函数f(x) = a^x,其中a为常数,其导数为f'(x) =a^x * ln(a),等等。
2. 使用导数的定义式:导数的定义式是通过极限的方法来计算的。
即f'(x) = lim(h→0) [f(x+h) - f(x)] / h,其中h为一个趋近于0的实数。
这种方法通常适用于无法直接应用基本导数公式的函数。
3. 使用导数的性质和运算法则:导数具有许多重要的性质和运算法则,如导数的和、差、乘积和商的法则,链式法则等。
对于复杂的函数,可以利用这些性质和法则简化计算过程。
二、微分的定义与计算方法微分是导数的一个应用,它可以用来近似计算函数在某一点附近的变化情况。
函数f(x)在点x处的微分,用df表示,定义为函数f(x)在该点处的导数f'(x)与自变量的增量dx的乘积,即df = f'(x)dx。
微分可以用来估计函数值的变化量,并且在数值计算和优化问题中有广泛的应用。
计算微分的方法与计算导数的方法类似,可以利用定义式、基本微分公式和微分的运算法则进行计算。
三、导数与函数的性质和应用导数具有许多重要的性质和应用,以下是其中的一些:1. 导数与函数的图像:函数的导数可以帮助我们了解函数曲线的形状和特征。
导数与微分的概念解析及应用讨论导数和微分是微积分中的重要概念,它们在数学和科学领域有着广泛的应用。
本文将对导数和微分的概念进行解析,并讨论它们在实际问题中的应用。
导数是描述函数变化率的概念。
在数学中,函数表示了两个变量之间的关系。
给定函数f(x),我们可以通过计算其导数f'(x)来研究函数在某一点的变化率。
导数的几何意义是函数曲线在该点的切线斜率。
导数的定义如下:f'(x) = lim(Δx→0) [(f(x+Δx) - f(x))/Δx]其中,f'(x)表示函数f(x)在x点的导数。
Δx表示x的一个小的增量。
通过取极限,我们可以得到函数在该点的切线斜率。
导数有着许多重要的性质。
例如,对于多项式函数,导数的次数比原函数的次数低1。
导数也可以用于求解函数的极值问题。
如果函数在某一点的导数为0,则该点可能是极值点。
微分是导数的另一种表达方式。
微分表示函数在某一点的局部线性逼近。
通过微分,我们可以得到函数在某点的线性近似,从而可以研究函数的局部性质。
微分的定义如下:df(x) = f'(x)dx其中,df(x)表示函数f(x)在x点的微分,dx表示自变量的一个小的增量。
微分可以理解为函数在该点的改变量。
微分的几何意义是函数曲线在该点的切线的微小长度。
导数和微分的应用非常广泛。
它们在物理、经济、生物等领域都有着广泛的应用。
在物理学中,导数可以描述物体在空间中的运动。
通过求解物体的速度和加速度的导数,我们可以研究物体的运动规律。
例如,通过对时间的导数,我们可以计算出物体的速度;通过对速度的导数,我们可以计算出物体的加速度。
在经济学中,导数可以描述经济变量之间的关系。
例如,通过对总收入对销售量的导数,我们可以计算出每增加一单位销售量对总收入的贡献。
这有助于企业做出合理的销售策略。
在生物学中,导数可以描述生物变量的变化率。
例如,通过对时间的导数,我们可以计算出细胞数量的增长速率;通过对温度的导数,我们可以计算出反应速率的变化情况。
泰山学院信息科学技术学院教案数值分析教研室通过教学使学生掌握导数的定义,导数的几何意义及微分的概念,熟练掌 握导数的各种求导方法。
第三讲导数与微分法研究、基本概念1•导数及其变形2•分段函数的导数通过左右导数来求 3. 导数的几何意义 4. 微分的定义二、求导方法1 .求导公式及其应用2. 复合函数求导法 3 •隐函数的导数求法 4.参数方程确定的函数的导数求法 5•极坐标方程表示的的函数的导数求法 6 .形如y = f(x)g(X)的函数的导数求法一一取对数求导法 7•分段函数的导数8•变动上线的积分表示的函数的导数课程名称 高等数学研究 授课对象授课题目第三讲导数与微分法研究课时数教学目的 重 点 难 占 八\、1. 2. 3. 隐函数的导数求法参数方程确定的函数的导数求法 形如y = f (X)g(X)的函数的导数求法一一取对数求导法变动上线的积分表示的函数的导数教学过程与内容教学后记第三讲导数与微分法研究 元函数的导数与微分是微积分的基础,经常出选择题与填空题,可作为求极限、求驻点、求拐点、求多元函数的偏导数与全微分等问题的基础。
重点掌握分段函数的导 数、隐函数的导数、参数(极坐标)方程确定的函数的导数。
变动上限的积分表示的函 数的导数每年都考。
一、基本概念1 .导数及其变形 ,f(X)-f(X 0), lim = lim f X - x 0 4° 例1:设f (X)在x 0可导,求 f(X 0 —3h)-f(X 0) (1) lim hT f(X o 中心 X)— f(X o ) _ limf (X o +h)- f(X o ) -h m oh 1 ⑶ lim n[ f(X 0 +-) - f (X o-T nf(X0+2h)-f(X0-2h) ⑵h m o 丄)]2n 2 .分段函数的导数通过左右导数来求 例2:设f(X)斗X - a I ®(x),护(X)在X = a 连续,文在什么条件下 f (x)在x = a 可导? 【解】lim f(X ^f(a ^lim -®(x) = -®(a) X —a lim fg-f(a)= lim 畀(X)=护(a) T X — a X T 〒当—q)(a)=W (a),即 W (a) =0时,f (x)在 x = a 可导。
2 【讨论】f(x)=|x|, f(x)=x|x|, f(x) =x(x +1)(X -1) I X -1 I 分别有几个不可导 点。
例3:已知函数f(x) =«” 2x l ax + b X A 1 X ^1处处可导,试确定 a 、b 的值。
【解】(1)欲使f (x)在X =1处可导,必先在X = 1处连续, 故有 lim f(X)= limf (x) = f(1),即a+ ^1 x —!—H 十(2)又f (x)在X=1处的左、右导数分别为25=十斗ad + 也 x)+b —1 「5、 .. a(1+也 x)+b —1 r a 也X f Q=J x s + 纵 二四盂=a故a = 2,从而b = -1,所以,当a = 2 , b = —1时f (x)处处可导。
3.导数的几何意义设函数y = f(x)在点X o 的导数存在,为f'(X o ),则导数值为函数 y = f(X)上一点 (x 0, f (x 0))处的切线的斜率。
此时,切线方程为:y - y 0= f'(x 0)(x -x 0);法线1方程为: y _y 0= ------------- f'(X o )例4:求y =x 2的切线方程,使此切线与直线 y =X +1的斜率相同。
2【解】设切点为(X o ,y o ),则有:y 0= X o,由已知,切线斜率与 y=x+1相同,贝y y'l x 0=1,1 1可解得:X 0 =丄,二y 。
=丄2 41 1切线方程为: y --- = X — 即y4 2例5:函数y = f (X)由方程xy + 21n x【解】略 4. 微分的定义设函数y = f (x )在某区间内有定义, 也y = f (x 0+比X )- f (x 0)可表示为 U= A 总X + 0(i x ),其中A 是不依赖于 也X 的常数, 而0(& )是i x T 0时比 &高阶的无穷小,那么称函数 y =A A x 叫做函数y = f (X 在点X o 相应于自变量增量 A x 的微分,二、求导方法1 .求导公式及其应用(略)2 .复合函数求导法(略)3 .隐函数的导数求法1例6:求由方程x -y +—Siny=0所确定的隐函数 y = f (x )的二阶导数 2 【解】两边对x求导得:1 一 y ‘ +工cos y = 02L -2sin y -y' dx ( 2 -cosy 」 方法二:对(*)式再两端求导得:(X —X o )。
1 =X —。
4 y 4y= f(x)(1,1)f (x )在点X o 是可微的。
而记作 dy 。
即 dy = A i x 。
d 2y dx 2(*)- 2 -y = -- ------ 2 -cosy 由此得哄=d rdx 2(2-cosy f (2-cosy ;32i sin y (2-cosy 丿_ -4s iny 2-cosy (2-cosy ;3x 0及x 0+i x 在这区间内,如果因变量的增量 -4sin y- y" + ~(y "cosy - y sin y、y 021 2 . 一一y Sin y 吃..______________ -y siny…y — d — c —.1 2-cosy1 - -cosy y4 .参数方程确定的函数的导数求法 (1)若参数方程 卩=珂)确定 [y =屮(t ) x 与y 之间函数关系,则称此函数为由参数方程所 确定的函数。
(2)计算导数的方法 dy _屮’(t dt _屮'(t ) d X ~ 护(t dt— A(t ), d 2y _d2 dx^ "i x 例7:函数y = f(X)由参数方程 !x = [ sinudu {打 [y =s int 确定,求■dydxdx = sin tdt【解】[dy = costdt—tt dxd® …sc 2tdtd 2y _ 1 dx 2 sin 't 例8:函数y = f(x)由方程(2 X =t 2+2t -y + sin y =1确定,求d 2y dx^【解】略 5 .极坐标方程表示的的函数的导数求法 设极坐标方程为 P = P (日),化为直角坐标[x = P (8) COS日[y = P (日)sin 9求解。
例9: 函数y = f(X)的极坐标方程为 P = e 2日 求鱼 dx 【解】i x = e 2日cos 日 J dx = e 2日(2cos 日-sin &)d 日.y =e 2 日 si n 0 i dy = e 2 日(2si n S +cos &)d日dy 2cos9 -sin Qdx 2 si n ^+cos 日6 .形如y = f (x)g(x)的函数的导数求法一一取对数求导法 例 10: y =(sin X +1)cos x ,求业 dx 【解】In y = cosx ln(sinx +1) 方程两边关于x 求导 . 2 1 , ■• + + cos x—y = - sin X ln(sin x 中1)中 - y si nx +1,进一步转化为直角坐标2COS X y 』(sin X + 1)COSX〔一 sin x In (sin x +1) +[_ sinx+1分段函数的导数 分段函数的导数在分段点通过左右倒数来讨论。
ig(x)-r X 11:设 f (x):= < 〔0 XH O , g(x)有二解连续的导数,g(0)=1, g'(0) = —1, X = 0 f (x) 【解】当XH O 时, f (X) [gg+eJx-gW+r 当 x,时 2 X g(x)—e 」 g'(x)+e 」 g"(x)—e 」 g"(0)-1 f (X) = lim ——=lim ------------- - lim --------- = ' 丿X T X 2 T 2x T 28.变动上线的积分表示的函数的导数 X f (X)连续,若 F(x)=『f (t)dt ,则 F '(X)= f (X) "■ a2X 例12: 求导数 (1) (4) (5) d / t X—— cos(2t)e dt =cos(2x)e dx 'a H 3—f cos(2t)e t d^-2cos(4x)e 2xdx '2x d X 2t 2 X 2 2x— f cos(2t)e dt = 2xcos(x )e -2cos(2x)e dx '2xd X t d X t d Xt一 a X cos(2t)e dt =—[x f x cos(2t)e dt] =— f cos(2t)e d^xcos(2x)eXdx a dx ‘a dx ‘a d 1f (x)是连续函数,求 一f f (tx)dt dx '0 1 1令y =tx,则.0 f (tx)dt = —.0 f (y)dy X d 1 1 X 1 所以,——f f (tx)dt =-一7 f f (y)dy +— f(x) dx 0 X 0 X 例13:设f(X)可导, f '(X)+xf (x -1) =4,并且 1 X J 0f(Xt)dt + J 0f(t —1)dt =x 3+x 2 +2x 求 f(x) 【解】令y =tx,则 1 1 X■0 f (tx)dt =- .0 f(y)dy X 1 代入 J 0f(xt)dtr 0f(t —1)dt=x 3 +x 2 +2xX X得 M (t)dt +x Jo f (t -1)dt =x4+x 3+2x 2两边两次求导f(X -1) =6x 2+3xf(X)=6x 2 +15x +9x 0(X —t)f(t)dt 例14:设函数f(x)连续,且f(0)工0,求极限lim -------------- T X[ f(x-t)dt x X _L T 0 x【解】 由于 T f(x-t)dt = 1 f (u)(du) = Jo f (u)du ,于是 x XX0(x-t)f(t)dt x f f(t)dt - J 0tf(t)dt lim——x ----------------------- = lim Tx 0f(x-t)dt T xX.0 f(u)du x { f(t)d tx f f(t)dt+xf(x)-xf(x) = lim -一x ---------------- =lim — T — —7 0 f(u)du+xf(x)x.0 f(u)du+xf(x)= lin xf( G = f ⑼ JT xf(J ) +xf(0) f(0) + f(0) 2。