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孤立地仅就一个时刻而言,物体没有动。但是物体运动有其前因后果,即是由前后位置的比较反映出来的,有比较才会产生速度。于是,人们就很自然地先求出该时刻附近的平均速度,然后令时间间隔趋向于0,以平均速度的极限作为瞬时速度。这样,可以意会的直觉,终于能够言传。微积分教学把原始的思考显示出来,就会让学习者知道导数并非是天上掉下来的“林妹妹”。一点的附近、平均速度、极限,这一连串的思考,揭开了瞬时速度的神秘面纱。
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超越“飞矢不动”的诡辩,我们又一次欣赏到微分学考察“局部”性质的深刻与美妙。
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在西方广为流传的一本数学科普著作《为百万人的数学》(作者Lancelot Hogben)是这样叙述导数的:
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“如果在一条曲线上运动的两点p,q不断靠拢,使得很难区别两点是沿着原曲线还是沿着直线段pq彼此非常接近,这时,尽管p,q的坐标x有十分微小的差别,但在测速仪上的指针几乎是不动的。直线段pq的斜率,即测速仪上的读数。
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这样,就巧妙地利用测速仪的直观形象理解了导数概念。
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数学文化教程 第七节 局部与整体沟通的桥梁——导函数与微分中值定理
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如前所述,函数f(x)在点x=x0上的导数,记为f′(x),刻画了f(x)在该点的局部性质。如果f(x)在区间[a,b]上每一点都有导数,这就在[a,b]上形成了一个新的函数,称为f(x)的导函数,记做f′(x)。本节将要说明,f′(x)将起到把f(x)在各点上的局部性质与其整体性质联系起来的关键作用。
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首先介绍导函数的一些基本性质和一些初等函数的导函数。
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导函数的基本性质
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(1)(af (x)+bg (x))′ =af′(x)+bg′(x);
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(2)(f (x) g (x))′ =f′(x) g (x)+f (x) g′(x);
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(3)假设g(x)处处不为0,则;
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(4)假设f(u),g(x)都可导,且g(x)的取值都在f(u)的定义域中,则可定义复合函数f(g(x)),其导函数是,
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其中表示对f(u)关于自变量u的求导。
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上述性质都是从导数的定义推出,具体的推算步骤在此省略。利用这些基本性质,可以容易地计算许多函数的导函数,包括以下一些最基本的导数。
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导数简表:一些基本初等函数的导函数
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前已提及,利用导函数可以研究函数性质。在应用过程中需要借助微分中值定理。以下介绍最常见的拉格朗日微分中值定理。
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定理 设f(x)在[a,b]上点点都有导数,那么在(a,b)中存在一点ξ,使得
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f (b)-f (a)=f′(ξ)(b-a).
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这是非常深刻的结果。等式左边依赖于固定两点a,b,是整体性的,而右边是在一点ξ处的导数,乃是局部性质。由于我们把局部性质研究透了,整体性质就可以借助局部性质得到深化。
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