复合函数求导


第2章 导数与微分 导数和微分在自然科学、工程技术、社会科学等各方面有着极为广泛的应用. 为了准确描述曲线的切线和质点运动的速度这一类有关变化率的问题,就很自然地、不可避免地要求在数学上引入导数和微分的概念. 只有在运用了这两个概念之后,才能将这些问题精确地解答出来. 而这两个概念实质上是由极限概念得到的. 本章我们将从这两个具体问题入手,引出导数和微分的概念,进而讨论导数和微分的各种运算法则以及有关的性质. 2.1 导数的概念 2.1.1 引例 例1 非匀速直线运动的速度问题. 设质点做非匀速直线运动,其位移是时间的函数,求时刻的瞬时速度. 由物理学知,质点做匀速直线运动时,可由来求质点的运动速度. 而当质点做非匀速直线运动时,就不能简单地用来描述质点运动的速度了. 此时,在时刻取时间的增量,从到这一段时间间隔内,质点运动的距离为,于是在这个时间间隔内质点运动的平均速度为 显然,当越小时,这个平均速度越接近时刻的瞬时速度. 因此,当时,平均速度的极限就可用来准确描述时刻的瞬时速度了. 设,对上式取极限,若此极限存在,则可得质点在时刻的瞬时速度为 (2-1-1) 例2 曲线的切线问题. 设有平面曲线,求其上一点处切线的斜率. 如图2.1所示,在曲线上取一点,并在其邻近取曲线上的另一点,则易知,割线的斜率为,当点沿曲线趋近于时,割线将趋近于曲线在点的切线. 也就是说,曲线在点的切线实际上就是点沿曲线趋近于点时割线的极限位置. 因此,曲线在点的切线斜率为 (2-1-2) 上述这两个例子的意义各不相同,但是它们的数学表达形式完全相同. 如果抛开它们所代表的具体意义(瞬时速度和切线斜率),则式(2-1-1)和式(2-1-2)所代表的数学意义完全相同,它们的共同实质都是求函数在一点的变化率,即当自变量的增量趋近于零时,求函数的增量与自变量的增量比值的极限. 在自然科学和工程技术中,还有许多问题的解决,如电流强度、角速度、线密度等,都归结为求函数的增量与自变量增量比的极限. 我们抛开这些量的具体意义,抓住它们在数量关系上的实质,就可引出导数的概念. 图2.1 2.1.2 导数的概念 定义1 设函数在点的某一邻域上有定义,当自变量在点处取得一增量(,且仍在该邻域内)时,相应地,函数也有增量 如果极限 (2-1-3) 存在,则称函数在点处可导,并称此极限值为函数在点处的导数,记作,或,即 也可以写成 或 实际上,就是函数在点的变化率,它反映了函数在点处相对自变量变化的快慢程度. 如果式(2-1-3)中的极限不存在,则称函数在点处不可导. 如果该极限为无穷大,那么导数也是不存在的,但有时为了方便,也称函数在点处的导数为无 穷大. 例3 求函数在处的导数. 解  若对于区间内的每一个,函数都可导,则称函数在区间内可导. 此时对应于内的每一个值都有一个导数值与之对应,这样便得到了一个新的函数,此函数称为函数的导函数,简称导数,记为,或. 即 或 在以上引入导数概念的过程中,已经明确了导数的意义,现归纳如下. (1) 导数的物理意义是质点做非匀速直线运动时的瞬时速度. 若将路程写成时间的函数,则任意时刻的速度为 (2) 导数的几何意义是曲线在一点处切线的斜率. 即曲线在点的切线斜率为 (3) 导数在数学上表示的是变化率. 设函数,则在点处的导数反映了函数相对自变量变化的“快慢”程度,即变化率. 下面根据导数的定义来求一些简单函数的导数. 例4 求常数函数的导数. 解 由于恒等于常数,于是对于任意的,都有,因此 即常数的导数恒等于零. 例5 求幂函数的导数. 解 由导数的定义 当时,是无穷小量,而由1.4节知,与是等价无穷小. 于是, 即幂函数的求导公式为 用此公式可以很方便地求出幂函数的导数. 如: 例6 求正弦函数的导数. 解 根据导数的定义 即正弦函数的导数是余弦函数 类似地,可以证明,余弦函数的导数是正弦函数的负值,即 例7 求对数函数的导数. 解 根据导数的定义 即对数函数的求导公式为 特别地,当时,自然对数的求导公式为 例8 求指数函数的导数. 解 根据导数的定义 当时,是无穷小量,而由1.4节知,与是等价无穷小. 于是 即指数函数的求导公式为 特别地,以为底的指数函数的求导公式为 以上给出了几个基本初等函数的求导公式,其他一些基本初等函数的导数将在以后陆续介绍. 例9 求三次曲线在点(2,8)处的切线斜率及切线、法线方程.

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复合函数就是多个函数把它嵌套起来。复合函数关键理解就是:内层函数的输出是外层函数的输入。

复合函数的求导法则:链式法则

因为复合函数是一层一层的由内向外的复合而得;那么复合函数的求导链式法则就是由外层向内层逐步的求导,即一层一层的求下去。

对于一般的映射可以理解成输出是一个向量,这个映射满足  其中是的雅克比矩阵,这个矩阵的第一行第一列呢因为是一个映射,这个第一行第一列是关于求偏导。第一行第二列是关于求偏导。第二行第一列就是关于求偏导,第二行第二列就是关于求偏导。如果有了复合函数h的雅克比矩阵,其实是拿到了这个映射h的整个的复合函数求导。整个复合函数的求导等于的雅克比矩阵乘以的雅克比矩阵。

由外向内在求导,第一层是y关于求偏导,内部一层就是关于在求偏导。

在向量中,雅可比矩阵是一阶以一定方式排列成的,其行列式称为。雅可比矩阵的重要性在于它体现了一个与给出点的最优线性逼近。因此,雅可比矩阵类似于的。

2、重积分:连续的分割求和取极限。

             一元积分(一重积分)是想求的曲边梯形的面积。即分割求和取极限(把它分割成一个个的小矩形,让这些矩形的宽度趋于0,算这些矩形的面积)

              二重积分:求体积(曲面下曲边柱体的体积)(先求曲线下每一小块的面积,再求每一小块对应的高度,最后求体积;思想:分割求和取极限)。

              三重积分:(分割定义域,分割成一小块一小块的,每一小块的体积叫做,每一小块的体积乘上这一小块的位置所处的函数值,乘完之后后,求和取极限这个就是三重积分。)

三重积分的应用,有一个铁块,知道每一小块的密度之后,求铁块的质量,f就是密度,他随着每一小块的位置不同密度不一样,想要计算这个铁块的质量就得使用三重积分。

二重积分可以算面积,三重积分可以算体积,如何算体积呢?答:对这个区域做积分,被积的函数等于1。如下:

微分:局部线性化。求微分就是局部线性化。

如果一个函数他是可以微分的,这就说明这个函数在局部(这个小的局部放大的看就是近似一个平面,平面的方程是,假设我们取的点是那么在这个点附近我们可以使用平面来代替,就变成了一个局部坐标系,之后让都趋近与0,把写成,这个函数的全微分就是其中A和B就是平面方程的两个系数,此时其实是和的函数,而且是一个线性函数,因为是一个平面,要求A的话就让等于0,对求导,也就是偏z和偏x,就是偏导;B同理。)

一元函数的话,局部线性化之后就是一个一次函数;如果是二元函数的话,局部线性化之后就是一个平面。

一元函数的导数他是一个数,多元函数的导数他是一个矩阵,叫做雅克比矩阵。

雅克比矩阵描述的是说:在这一点局部的坐标变换最接近于哪一个线性变换,这就是雅克比矩阵的几何意义。

雅克比矩阵行列式。雅克比矩阵的行列式就叫雅克比值。

重积分换元一定要乘以一个雅克比,来保证他们的面积是相同的。类比于一元积分换元时要多乘以一个导数。这个导数确实就是雅克比矩阵行列式(1x1矩阵的行列式就是这个数字本身了)。

极坐标与直角坐标:极坐标就是一个圈一个圈的跟雷达似的。

PS:多元函数微分的宗旨就是局部线性化,求全微分。输出量就是输入量的线性组合,组合的系数就是求偏导数。

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