找回密码
 立即注册

QQ登录

只需一步,快速开始

搜索
查看: 8338|回复: 1
收起左侧

微积分入门之斜率与导数

[复制链接]
ID:127437 发表于 2016-6-20 22:23 | 显示全部楼层 |阅读模式
by 谭泽睿

【估计你肯定不希望看到那些魔鬼一般的公式,请放心,我在这里并不打算向你介绍纯数学的导数概念,我是希望,你(初三数学水平)也能看懂,甚至进行一些简单的应用,计算。相信并发现其中数学的魅力,你一定会发现数学之美的。而且通过学习微积分,你的物理学水平绝对会大进一步。(这篇文章是给初中人士看的,内容可能有所缺乏,请专业人士见谅。)

(前言:
    微积分是什么?其实它不过是一种运算。就像加减乘除是对数字的运算一样,微积分能对函数进行运算。某种意义上说,微积分干的事就是在2个函数之间互相转化。)

    要入门地理解微积分,事实上只要举2对函数作为例子就够了。——路程与速度、(高度与斜率。)

——路程与速度

    假设,比如说你正在从学校走回家,你是匀速的走的,那么你走过的路程的函数肯定会是一条直线,就像这样:

    

    因为你的速度是匀速的,所以速度函数必然是水平线。假设你2s时走到了2m处,3s时走到了3m处,从2s~3s你的平均速度是多少?这个速度你肯定会算,它不过是v = s/t = (3m-2m)/(3s-2s) = 1m/1s = 1m/s。同时你也肯定知道如果你的出发点并不影响你的速度,比如说像这样,你从1m处出发,还是匀速运动:

    

    速度肯定会一样,即速度跟你的出发点没什么关系。

    匀速是很简单的情况,现在让我们考虑一下变速的情况。比如说,你一开始速度为0,然后速度不断地加快,这里假设你的速度是匀速增加的,并假设你从0m处出发:

    

    很明显,我们可以观察到,因为你的速度在不断的增加,这就是说你走路的速度在不断地加快,那么你的路程函数就会越来越“倾斜”,增长得越来越快,因此呈一条曲线状,而不是直线。
    
    减速的情况也很简单,如果你在开车,看到前面红灯,你知道你得刹车。。现在假设你刹车之前速度是——数字不太好选,就40吧
(这里请允许我不加单位),然后你的速度肯定在不断地减小,而且是匀速地减小,就像这样:

    

    (这里路程S是你踩了刹车之后滑行的路程)

    那么,从才刹车开始,汽车滑行的路程会是什么样子?(稍作思考,你得猜想一下,可以考虑一下速度和倾斜程度的关系。)

    ……

    ……

    ……

    事实上,要知道,你的速度在不断地减小,所以倾斜程度肯定也在减小:
    
    

    因为汽车在5s处速度为0,所以路程函数在5s这里的倾斜程度也是0,即水平。

    你是否很疑惑我怎么把5s之后的也给画出来了,这看起来的确有点滑稽。。事实上你的汽车并不会刹车完后还往后倒退,这一段是我故意加上的,目的是方便你理解——假设这时速度的确是负值,汽车在往后倒退……

    (如果这几个你能理解,就继续往下看。)

    不知道你是否发现了路程、速度 这2个函数之间的内在联系——路程函数的斜率(倾斜程度)就是速度。

现在请允许我简单地介绍一下斜率这个概念。

斜率的概念是如此的简单,它就表示倾斜的程度。
【注:纯数学上斜率的定义是:函数某一点的斜率是函数该点的切线与x轴的夹角的正切值。】




平均斜率(slope)的计算:
(直线的斜率与其平均斜率相同)
         Δy
slope = -----
         Δx
其中Δ表示某个变量的增量。比如说,
当x增加一小段,比如增加了2,此时y
也必然增加了一小段,比如1之类的,
那么增加的这一段的平均斜率就是:

         Δy     1
slope = ----- = ---
         Δx     2
这跟平均速度的计算 v=s/t 很像,
(事实上完全相同)

(注:对于一次函数 y = ax + b ,a就是它的斜率。
【注中注:这很明显,因为如果x增加一段,比如增加了Δx,
那么Δy = a(x+Δx)+b-ax-b =ax+aΔx
斜率slope = Δy/Δx = a】
斜率的取值与b无关,因为之前说过,
速度的取值与起点无关。


    哦,这简直像是在做代数运算,找不到微积分的影子。如果你前面的准备工作做好了,那么继续请往下看,下面我将引入微分学最核心也是最有趣的部分。。 




现在的问题是,我有一个函数(或者我的路程与时间的关系)是y=x,有没有办法可以
求出我在x=1这一点的运动速度呢?(即能否做出x=1这点的切线。)


“这一点的切线?天方夜谭!”你可能会发出这样的感叹。事实上一开始,数学家们碰到这样的问题时也头疼不已。但是他们找到了一种补救方法,就是:让x=1增加Δx,求出这一段的平均斜率,用平均斜率来近似的代替这一点的斜率。增加之后的就是1+Δx,则
y的增加量为:
            2
Δy = (1+Δx)  - 1   



所以这一段(1, 1+Δx)的平均斜率就是:

                      2                   2
       Δy    (1+Δx)  - 1    2Δx + (Δx)
slope= ---- = ----------- = ------------
       Δx       Δx              Δx
 
= 2 + Δx

我们知道,如果Δx越小,则得到的斜率越接近于这一点的真实斜率,而在上式中,我们发现如果让Δx趋向于0,Δx就会消失!所以最终的结果很漂亮,这一点的斜率是2!

那么,对于任一点x ,函数y=x^2的斜率能求出吗? 当然能!这种情况不过是上面的情况的推广:



                     2     2               2
       Δy    (x+Δx)  - x     2Δx + (Δx)
slope= ---- = ------------- = ---------------
       Δx       Δx              Δx
 
= 2x + Δx

令Δx→0 (意思是让Δx趋向于0),上式 = 2x  。即对于任意一点x,函数y=x^2的斜率是2x 。

那么一开始的问题我们就解决了:
(问题:)


(解答:)

【解释:函数y=x^2在x点的切线的斜率是2x。
   (如果你的路程函数是x^2,你的速度函数就是2x。像这样,知道路程函数,求得速度函数的过程就叫求导,这个“速度”函数就叫这个“路程”函数的导数

                         dy
函数y的导数记作 y'  或  ----  (读作“d y d x”,不读分数线。)。

                         dx
(即y=x^2,则y'=2x)


不管你信不信,你已经初步理解了微分学中的导数的概念!是不是很简单?

【注:本文介绍的求导的过程实际上是不严谨的,因为导数的严格的定义是由极限给出的,而本篇没有介绍极限,也没有给出“连续”
的含义 】

下面写出几个常见的函数的导数,这些公式、求导法则可以直接用,没必要每次都去推导一次。

常函数 的导数:
y = C          y' = 0     (C为常数)

幂函数 的导数:
 
     n                  n-1
y = x      则    y' = nx        (n为常数)

【注:√x  = x^0.5 ,根号也可以用这个求导法则,(√x)' = 1/(2√x)   】
例:y = x^2 + 2x + 3 ,求它的导数?
y'=2x + 2
 
例:y = 2x^100 ,求它的导数?
y'=2*100x^99 =200x^99


一般指数函数 的导数:
      x                 x
y = a            y' = a   * ln a  (a为常数)

指数函数 的导数:
      x                 x
y = e            y' = e

求导的加法法则:
(f + g)' = f' + g' 

求导的乘法法则:
(f*g)' = f'g + f g'

求导的链式法则(重要!) 

f[g(x)] ' = f'[g(x)]*g'(x)

解释链式法则:
链式法则是用于遇到“复合函数”的求导时才用的,至于复合函数,是指一个函数“嵌套”在另一个函数里面。比如:
   _____
y=√2x+1  ,是由根号函数y=√x  和线性函数y = 2x+1 "复合"而成的。对复合函数求导时,先对“外函数”求导,再把“内函数”的导数乘在外面。

比如
   _____             _____                                     1
    y=√2x+1  ,外函数是√2x+1 ,内函数是2x+1,外函数的导数就是 --------- ,内函数的导数是2,因此这个复合函数的导数就是
                                                                    _____
                                                                  2√2x+1
         1                  1
y' = --------- × 2  = ----------
        _____            ______
      2√2x+1           √2x+1

 

(以上法则有些看不懂没关系)



导数的用途
    导数是微积分的重要概念和基础。不过,你是否疑惑“导数除了做切线还能干什么用”,事实上导数非常有用而且其乐无穷,用途广泛。这里仅举2个简单的例子说明(这只是导数应用的冰山一角):
1.物理应用:在物理里,如果一个物体的运动路程与时间的函数为s,则速度函数是s的导数。即 v = s'
2.函数应用:导数可以用来作切线,可以求出函数的 极大/极小值 点。因为函数的极大/极小值点上的切线的斜率为0,所以对于一个函数y,只要求出其导数y'  ,其最大最小值一定在方程y'=0的解上。

    例:求函数 y = x^3 - x^2 的极值?
    
    易得其导数 y' = 3x^2 - 2x
    令y' = 0 即 解方程 3x^2-2x = 0 解得 x = 0 或 x= 2/3
    根据图像可以看出x=0是极大值,x=2/3是极小值。
    如果你知道“二阶导数”这一概念,你可以用二阶导数判断极大值和极小值而无需画图。。而且极值点处二阶导数不能为0,否则不是极值。当然,在不清楚二阶导数时,你可以用作图来辅助。

3.计算应用:传说中的线性近似导数可以用来计算近似值。
                  10
    例:计算 0.995

    选取函数 y = x^10 ,发现x=0.995这一点跟x=1这一点很接近。我们作出其导数y' = 10x^9 ,
    线性近似的概念就是用这一点x=1的切线去逼近x=0.995的值。
    易知,x=1时y'=10,即这一点切线斜率为10, 这一点与x=0.995的差距是(1-0.995)=0.005,我们从x=1点开始,按照这一点的切线方向后退0.005,即Δx= -0.005,那么Δy=10 * -0.005 = -0.05,也就是说,按照切线方向,x下降了0.005,y也下降了0.05。
    所以计算出的近似值就是 1 - 0.05 = 0.95
         10
即 0.995    ≈ 0.95

如果你用计算器来检验,你会发现计算器的结果是 0.9511101305,和我们计算的结果非常接近。这就是微分(导数)在近似计算中的应用。

    *例2:计算√2 的近似值     1
    选取函数y = √x , y' = ------
                            
2√x 
    我们知道,1.4^2=1.96,(即√1.96 = 1.4)。 1.96跟2很接近,所以我们就用x=1.96这一点的切线来近似x=2的值。
    y'在1.96的取值y'(1.96) = 1/(2*1.4) ≈ 0.357,这是x=1.96这一点的切线。
    现在让x增加0.04,则y就会增加0.04*0.357 = 0.01428
    所以√2 ≈ 1.4+0.1428 = 1.41428
    如果你用计算器来检验,你会发现这样做精确度还是很不错的:√2 = 1.414213562 ,精确到了小数点后4位。



4.工程应用:导数可以解方程(详细过程略,参见“牛顿法解方程”)
    

5.经济学应用:经济学中,导数称为“边际函数”,是一个重要而基础的概念。
……
……等等等等…… 
 
 


有趣的问题,这也是微积分的实用之处:

 
R博士的家在A点。每天,R博士都要开着小汽车去他的公司C上班。他以前一直都是这样走的:先从家垂直的开到B点,然后进入公路,再开到C点。其中AB=30km,CB=60km,R博士的汽车在公路CB上速度可以达到60km/h,但是在非公路地段只有30km/h。有一天R博士突发奇想,发现如果以某个角度开到某个P点进入公路,他所用的时间将大大缩短。不过现在R博士搞不清BP取多少时,他用的时间会最短。你能帮他确定这个BP的长度吗? 
 


如果设PB = x km,CP = 60-x
由勾股定理可得,AP=
  _________
                    √900 + x2

汽车在AP这段速度是30km/h,在CP这段速度是60km/h,所以可得R博士所需时间T与BP(x)的取值的函数关系:
     __________
    √900 + x^2     60 - x
T = ------------ + --------
        30           60

这不过是在求一个函数的极值。首先对它求导:
(注:这个2x↓是因为链式法则。内函数900 + x^2 的导数是2x,对复合函数求导时要乘在外面。现在不懂也没有太大的关系)
           2x               1
T' = ----------------- - ------
             ________      60
      30 * 2√900+x^2

令T' = 0,解方程:

        2x               1
   ----------------- = ------
            ________     60
 
    30 * 2√900+x^2

约分:

         x               1
   ----------------- = ------
           ________     60
 
    30 * √900+x^2 

交叉相乘得 :
   ________
30√900+x^2  = 60x

两边约去30:
   ________
  √900+x^2  = 2x

两边同平方:
900+x^2 = 4x^2

移项:
3x^2 = 900

约分:
x^2 = 300

直接开方法(舍去负根):
     ____    ______      __
x = √300 = √100*3 = 10
√3 ≈ 17.32 km

所以,BP应取17.32 km。R博士应从这个P点进入公路。 



【注:严格的数学中的导数被定义如下:
函数y=f(x)的导数dy/dx为:
 dy            Δy              f(x+
Δx) - f(x)
---- =   lim  ------ =   lim   ----------------
 dx    Δx→0  Δx      
Δx→0       Δx

在数学中,导数被定义为一个分式
Δy/Δx 的极限。 因此导数又称为“微商”。


瞧,微积分在生活中也可以有应用,这也是微积分的实用之处。数学是有趣而美妙的。你是否这样觉得呢?
(:……这篇文章我是希望尽量写的通俗易懂,但由于本人水平十分有限,不免有许多错误及不足之处,或者你仍然看不懂这篇文章,还请各位见谅。。) 

电子版:

微积分入门之斜率与导数.pdf

364.36 KB, 下载次数: 14, 下载积分: 黑币 -5

回复

使用道具 举报

ID:398297 发表于 2018-9-15 13:36 | 显示全部楼层
学习学习
回复

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

手机版|小黑屋|51黑电子论坛 |51黑电子论坛6群 QQ 管理员QQ:125739409;技术交流QQ群281945664

Powered by 单片机教程网

快速回复 返回顶部 返回列表