微積分基礎-極限,導數,反導數

1. 瞬時變化率

平均變化率-平均速度

瞬時變化率-瞬時速度

從平均速度引入瞬時速度比較合適。舉例,對於平均速度來說,當時間差接近0時,平均速度就變成了瞬時速度

平均速度又等於兩點的斜率,當時間差接近0時,斜率(瞬時斜率)又等於曲線切線的斜率,因此曲線切線的斜率就是瞬時速度

利用無限小增量的方式,就能得到某點的瞬時斜率

avg \; speed = \frac{\Delta distance}{\Delta time} = \frac{\Delta y}{\Delta x} = \frac{dy}{dx} = \frac{100m}{9.58s} = 10.44 \; \frac{m}{s} = m \; or \; slope

instantaneous \; speed = \lim_{\Delta x \rightarrow 0} \frac{\Delta y}{\Delta x}

斜率就是兩點之間的平均變化率

不指明方向叫速率,指明方向叫速度

2. 極限

極限是微積分的基礎,儘管它非常重要,卻是一個很簡單的概念

定義(epsilon delta definition):對於給出的任何大於0的ε,無論ε等於多少,都存在一個大於0的Δ,使得當0<|x-c|<Δ時,0<|f(x)-L|<ε,那麼就稱L是函數f在x趨於c時的極限。本質上來說,可以無限接近極限值,是因爲可以選取任何的ε。ε決定f(x)距極限值的距離

例子,證明:

\lim_{x\rightarrow 1}\frac{3x(x-1)}{x-1}=3

此例中,c=1,L=3

Given: \epsilon > 0

Prove: \Delta > 0

\epsilon > 0

\Rightarrow 0 < \left | f(x)-L \right | < \epsilon

\Rightarrow 0 < \left | \frac{3x(x-1)}{x-1} - 3 \right | < \epsilon

when: \; 0 < \left | x-c \right | < \Delta

\Rightarrow 0 < \left | x - 1 \right | < \Delta

\Rightarrow 0 < \left | \frac{3x(x-1)}{x-1} - 3 \right | < \epsilon

0 < \left | 3x - 3 \right | < \epsilon

\Rightarrow 0 < \left | x-1 \right | < \frac{\epsilon}{3}

\Rightarrow \Delta = \frac{\epsilon}{3}

3. 導數

直線斜率推廣到曲線中,就有了導數

直線的斜率一直不變,曲線的斜率是變化的(曲線上某點的斜率等於該點切線的斜率)

直線斜率->曲線割線的斜率->曲線切線的斜率

Δx很大時,割線斜率與確切點切線的斜率相差較大,但Δx很小時,割線斜率就與確切點切線的斜率很接近了;取割線斜率在Δx趨於0時的極限,割線斜率就等於確切點切線的斜率了,此時該極限式子又稱爲導函數,導函數的值稱爲導數,即某點切線的斜率:

slope \; of \; line: \frac{f(b)-f(a)}{b-a}

slope \; of \; secant: \frac{f(x+\Delta x)-f(x)}{(x+\Delta x)-x} = \frac{f(x+\Delta x)-f(x)}{\Delta x}

derivative \; of \; f: f'(x) = \lim_{\Delta x \rightarrow 0} \frac{f(x+\Delta x) - f(x)}{\Delta x}

3.1. 導數法則

指數、加法、鏈式、乘法(商)法則

利用上述法則,求多項式的導函數,其實很簡單

\frac{d}{dx}A \; x^n = A \frac{d}{dx} \; x^n =A \cdot n \;x^{n-1}

\frac{d}{dx}(f(x)+g(x))=\frac{d}{dx}f(x) + \frac{d}{dx}g(x)

\frac{d}{dx} h(g(x)) = g'(x) \cdot h'(g(x))

\frac{d}{dx} ( h(x) \cdot g(x)) =h'(x) \cdot g(x) + h(x) \cdot g'(x)

3.2. 常用函數的導數

利用導數法則,求指數、對數、三角函數等的導數

1. 多項式的導數

2. 指數函數

\frac{d}{dx} e^x = e^x

\frac{d}{dx} x^n = n x ^{n-1}

3. 對數函數

\frac{d}{dx} \ln x = \frac{1}{x}

4. 三角函數

\frac{d}{dx} \sin x = \cos x

\frac{d}{dx} \cos x = - \sin x

\frac{d}{dx} \tan x = \frac{1}{\cos ^2 x}

證明(沒有按照上面的順序)

1.

\begin{align*} \frac{d}{dx} x^n &= \lim_{\Delta x \rightarrow 0} \frac{(x+\Delta x)^n - x^n}{\Delta x} \\ &= \lim_{\Delta x \rightarrow 0} \frac{ \sum_{k=0}^{n} (^n _k) x^{k-n} \Delta x ^k - x^n}{\Delta x} \\ &= \lim_{\Delta x \rightarrow 0} \frac{x^n + (^n _1)x^{n-1} \Delta x + (^n _2) x^{n-2} \Delta x^2 + \cdots + \Delta x^n - x^n}{\Delta x} \\ &= \lim_{\Delta x \rightarrow 0} (^n _1) x^{n-1} + (^n _2) x^{n-2} \Delta x + \cdots + \Delta x^{n-1} \\ &= (^n _1) x^{n-1} \\ &= n x^{n-1} \end{align*}

2.

\begin{align*} \frac{d}{dx} \ln x &= \lim_{\Delta x \rightarrow 0} \frac{\ln (x + \Delta x) - \ln x}{\Delta x} = \lim_{\Delta x \rightarrow 0} \frac{1}{\Delta x} \ln \frac{x + \Delta x}{x} \\ &= \lim_{\Delta x \rightarrow 0} \ln (1+\frac{\Delta x}{x})^{\frac{1}{\Delta x}} \\ &= \lim_{n \rightarrow \infty} \ln (1+\frac{1}{n})^{\frac{n}{x}} \left \{ \frac{\Delta x}{x} = \frac{1}{n}, \Delta x = \frac{x}{n} \right \} \\ &= \lim_{n \rightarrow \infty} \ln ((1+\frac{1}{n})^n)^{\frac{1}{x}} = \frac{1}{x} \ln (\lim_{n \rightarrow \infty} (1+\frac{1}{n})^n) \\ &= \frac{1}{x} \end{align*}

3.

首先利用 ln(x) 的導數得出:

\frac{d}{dx} \ln e^x = \frac{1}{e^x}

再使用鏈式法則求導:

\frac{d}{dx} \ln e^x = (\frac{d}{dx} e^x) \cdot (\frac{1}{e^x})

又因爲:

\frac{d}{dx} \ln e^x = \frac{d}{dx} x \ln e = \frac{d}{dx} x = 1

所以:

\frac{d}{dx} \ln e^x = (\frac{d}{dx} e^x) \cdot (\frac{1}{e^x}) = 1

\frac{d}{dx} e^x = e^x

4. 反導數法則(積分法則)

反指數、加法、反鏈式、反乘法法則,反乘法法則又推導出了分部積分,三角代換。

\int B \; x^n \; dx = \frac{B}{n+1} x^{n+1} + C

\int (f(x) + g(x)) dx = \left \(\int f(x) dx + \int g(x) dx \right \) + C

\int g'(x) f'(g(x)) \; dx = f(g(x))

\int \left \( f'(x) \;g(x) + f(x) \;g'(x)\right \) dx = f(x) \; g(x)

分部積分(比反乘法法則更有用,每進行一次,f(x)的指數會降低一次):

\int f(x) \; g'(x) dx = f(x)g(x) - \int f'(x) g(x) dx

反鏈式看不出來的話,可以使用代換積分法

4.1. 如何理解積分

積分只是“對許多寬很小的矩形面積求和”。導函數曲線下的面積等於原函數兩個函數值的差,因此可以利用積分求曲線下的面積:

\begin{align*} & F'(x) = f(x) \\ & F(x) = \int f(x) \; dx \\ & F(b) - F(a) = \int _a ^b f(x) \; dx \end{align*}

通過“時間距離方程”可以說明爲什麼曲線下的面積等於原函數兩個值的差:

假設“時間距離方程”及其導函數“時間速率方程”爲:

\begin{align*} & F(t) = 2t^3 \\ & F'(t) = f(t) = 6t^2 \end{align*}

通過“時間距離方程”求1秒到2秒經過的距離:

distance = F(2) - F(1) = 14

通過“時間速率方程”求1秒到2秒經過的距離:

distance = f(1) * \Delta t + f(1+\Delta t) * \Delta t + f(1+ 2\Delta t) * \Delta t + \cdots

當δt趨於0時,通過“時間速率方程”求得的距離近似等於“時間距離方程”的結果。

又因爲:

f(1)*\Delta t, f(1+ \Delta t)*\Delta t, \cdots

爲導函數曲線下的一系列長方形的面積,因此如果想求某個曲線下的面積,可以先對曲線積分,然後利用積分求得曲線下的面積

進一步擴展,可以利用積分思想求旋轉體的體積(圓盤方法,殼方法)。

假設導函數沿x軸旋轉,旋轉體的體積(圓盤方法)爲:

\begin{align*} & A=\pi (f(x))^2 \\ & V_d = \pi (f(x))^2 \; dx \\ & V_t = \int \pi (f(x))^2 \; dx \end{align*}

假設導函數沿y軸旋轉,旋轉體的體積(殼方法)爲:

\begin{align*} & C = 2 \pi r = 2 \pi x_1 \\ & A = C \cdot h = 2 \pi x_1 \cdot f(x_1) \\ & V_{shell} = A \cdot dx = 2 \pi x_1 \cdot f(x_1) \cdot dx \\ & V_t = \int 2 \pi x f(x) dx \end{align*}

4.2. 例子

4.2.1. 換元法

\int (\sin x)^3 \; \cos x \;dx

let \quad u=\sin x , \quad \frac{du}{dx}=\cos x

\int (\sin x)^3 \; \cos x \; dx = \int u^3 \frac{du}{dx} dx = \int u^3 du = \frac{1}{4} u^4 = \frac{1}{4} (\sin x)^4

4.2.1.1. 三角換元法

三角換元法隸屬於換元法

\int \frac{1}{\sqrt{3 - 2x^2}} \; dx = \int \frac{1}{\sqrt{3(1-\frac{2}{3}x^2)}} \; dx

set \quad \frac{2}{3} x^2 = (\sin \theta)^2

\Rightarrow \theta = \arcsin \sqrt{\frac{2}{3}} \; x

     x = \sqrt{\frac{3}{2}} \sin \theta \qquad \frac{dx}{d \theta} = \sqrt{\frac{3}{2}} \cos \theta

\begin{align*} & \int \frac{1}{\sqrt{3(1-\frac{2}{3} x^2)}} \; dx \\ & = \int \frac{\sqrt{\frac{3}{2}} \cos \theta \; d \theta}{\sqrt{3(1- (\sin \theta)^2)}} \\ & = \int \frac{\sqrt{\frac{3}{2}} \cos \theta \; d \theta}{\sqrt{3} \cos \theta} \\ & = \frac{1}{\sqrt{2}} \; \theta + C \end{align*}

將Θ代回去:

\frac{1}{\sqrt{2}} \theta + C = \frac{1}{\sqrt{2}} \arcsin \sqrt{\frac{2}{3}} x + C

4.2.2. 分部積分

\int e^x \cos x \; dx = \frac{e^x \sin x + e^x \cos x}{2}

證明:

assume \quad f(x) = e^x, \quad g'(x) = \cos x

\int e^x \cos x \; dx = e^x \sin x - \int e^x \sin x \; dx

assume \quad f(x) = e^x, \quad g'(x) = \sin x

\begin{align*} \int e^x \cos x \; dx &= e^x \sin x - \int e^x \sin x \; dx \\ &= e^x \sin x - (e^x \cdot -\cos x - \int (e^x \cdot -\cos x) dx ) \\ &= e^x \sin x + e^x \cos x - \int e^x \cos x \; dx \\ 2 \int e^x \cos x \; dx &= e^x \sin x + e^x \cos x \\ \int e^x \cos x \; dx &= \frac{e^x \sin x + e^x \cos x}{2} \end{align*}

5. 微分方程

微分:一個差值,無限小的變化量;y方向無限小的變化量,稱爲y微分,x方向無限小的變化量,稱爲x微分

微分方程:包含微分的方程稱爲微分方程

注意:傳統方程的解是一個數字,微分方程的解是一個函數

\begin{align*} & \frac{dy}{dx}=x^2+1 \\ & dy = (x^2+1) \; dx \\ & \int dy = \int (x^2+1)\;dx \\ & y = \frac{x^3}{3} + x + C \end{align*}

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