导数与微分(经典课件)

导数与微分引言导数与微分是数学分析的基本概念之一。导数与微分都是建立在函数极限的基础之上的。导数的概念在于刻划瞬时变化率。微分的概念在于刻划瞬时改变量。求导数的运算被称为微分运算，是微分学的基本运算，也是积分的重要组成部分。本章主要内容如下：1．以速度问题为背景引入导数的概念，介绍导数的几何意义；2．给出求导法则、公式，继而引进微分的概念；3．讨论高阶导数、高阶微分以及参数方程所确定函数的求导法。4．可导与连续，可导与微分的关系。§1导数的概念教学内容：导数的定义、几何意义，单侧导数，导函数，可导与连续的关系，函数的极值。教学目的：深刻理解导数的概念，能准确表达其定义；明确其实际背景并给出物理、几何解释；能够从定义出发求某些函数的导数；知道导数与导函数的相互联系和区别；明确导数与单侧导数、可导与连续的关系；能利用导数概念解决一些涉及函数变化率的实际应用问题；会求曲线上一点处的切线方程；清楚函数极值的概念，并会判断简单函数的极值。教学重点：导数的概念，几何意义及可导与连续的关系。教学难点：导数的概念。教学方法：讲授与练习。学习学时：3学时。一、导数的定义：1．引入（背景）：导数的概念和其它的数学概念一样是源于人类的实践。导数的思想最初是由法国数学家费马（Fermat）为研究极值问题而引入的，后来英国数学家牛顿（Newton）在研究物理问题变速运动物体的瞬时速度，德国数学家莱布尼兹（Leibuiz）在研究几何问题曲线切线的斜率问题中，都采用了相同的研究思想。这个思想归结到数学上来，就是我们将要学习的导数。在引入导数的定义前，先看两个与导数概念有关的实际问题。问题1。直线运动质点的瞬时速度：设一质点作直线变速运动，其运动规律为)(tss，若0t为某一确定时刻，求质点在此时刻时的瞬时速度。取临近于0t时刻的某一时刻t，则质点在tt,0或0,tt时间段的平均速度为：00)()(tttstsv，当t越接近于0t，平均速度就越接近于0t时刻的瞬时速度，于是瞬时速度：00)()(lim0tttstsvtt。问题2。曲线上一点处切线的斜率：已知曲线方程为)(xfy，求此曲线在点),(00yxP处的切线。在曲线上取临近于P点的某点),(yxQ，则割线PQ的斜率为：00)()(tanxxxfxfk，当Q越接近于P，割线PQ斜率就越接近于曲线在点P处的斜率，于是曲线在点P处的斜率：00)()(lim0xxxfxfkxx.2．导数的定义：以上两个问题的实际意义虽然不同，但从数学角度来看，都是特殊形式的函数的极限。定义1设函数)(xfy在0x的某邻域内有定义，若极限00()(lim0xxxfxfxx）存在，则称函数f在点0x处可导，并称该极限为f在点0x处的导数，记作)('0xf或.0xxdxdy定义1'令0xxx，)()(00xfxxfy，则上述定义又可表示为：)('0xf＝.)()(limlim00000xxfxxfxydxdyxxxx即：函数在一点处函数值的改变量与自变量的改变量之比当自变量改变量趋于零时的极限。例1．已知函数2)(xxf，求).1('f解：2)1(lim11lim1)1()(lim)1(1211'xxxxfxffxxx；或2)2(lim1)1(lim)1()1(lim)1(0200'xxxxfxffxxx。例2．已知函数0001sin)(2xxxxxf，求).0('f解：.01sinlim0)0()(lim)0(00'xxxfxffxx例3．已知函数xxf)(，求).0('f解：01010)0()(xxxxxfxf，0)0()(lim0xfxfx不存在故函数xxf)(在点0x处不可导。例4．已知函数3)(xxf，求).0('f解：3203001limlim0)0()(limxxxxfxfxxx，故函数3)(xxf在点0x处不可导。二、导数的几何意义：通过对引例2我们已经看到，已知曲线方程)(xfy，若)(xf在点0x可导，那么曲线)(xfy在点)(,00xfx存在切线，并且切线斜率为)(0'xf。注：若曲线)(xfy在点)(,00xfx存在切线，那么)(xf在点0x可导吗？（不一定，如3xy在0点）。y=f(x)0'f0'f0'f0切线方程（点斜式）：))((00'0xxxfyy；法线方程（点斜式）：)()(100'0xxxfyy。例5．求曲线3xy在点)1,1(P处切线与法线方程。解：3)1(lim11lim1)1(lim213111xxxxxyydxdyxxxx，切线方程：)1(31xy，即：023yx；法线方程：)1(311xy，即：.043yx三、可导与连续的关系：1．定理5.1若函数f在点0x可导，则f在点0x连续。证明：函数f在点0x可导，由导数定义知00)(limlimlimlim0'0000xfxxyxxyyxxxx，所以f在点0x连续（P69最下式）。2．若函数f在点0x连续，则f在0x不一定可导。如例3中，函数xxf)(在点00x连续，但是不可导。yxxf)(0x例6．证明函数)()(2xDxxf仅在点00x处可导。其中)(xD为狄利克雷函数：为无理数当为有理数当xxxD01)(。证明：当00x时，由归结原则可得函数)()(2xDxxf在点0xx不连续，所以由定理5.1便知它在0xx处不可导；当00x时，0)(lim0)0()(lim)0(00'xxDxfxffxx，说明它在00x处可导；综上便知函数)()(2xDxxf仅在点00x处可导。四、单则导数：若只研究函数在某一点0x右邻域（左邻域）上的变化率，只需讨论导数定义中极限的右极限（左极限），于是我们引入单则导数的概念。1．定义：定义2若函数)(xf在)(0xU有定义，定义右导数为：xxfxxfxxxfxfxfxxx)()(lim)()(lim)(000000'0；若函数)(xf在)(0xU有定义，定义左导数为：.)()(lim)()(lim)(000000'0xxfxxfxxxfxfxfxxx右导数和左导数统称为单则导数。2．由左、右极限与极限之间的关系容易得到左、右导数与导数之间有如下关系：定理5.2函数)(xf在点0x可导，且axf)(0'函数)(xf在点0x即左可导又右可导，且.)()(0'0'axfxf例7．设函数00cos1)(xxxxxf，讨论函数)(xf在点0x处的左、右导数与导数。解：由于010cos1)0()0(xxxxxfxf，所以022sin21lim2sin2limcos1lim)0(20200'xxxxxxxfxxx，11lim)0(0'xf.由定理5.2可知函数在点0x处不可导。五、导函数：1．可导函数：若函数f在区间I上每一点都可导（对区间端点，仅考虑单侧导数），则称f为I上的可导函数。2．导函数：区间I上的可导函数f，对每一Ix，都有一个导数（或单则导数）与之对应，这样定义了一个在I上的函数，称之为函数f在区间I上的导函数，简称为导数，记作,,,),(''dxdydxdfyxf即：Ixxxfxxfxfx,)()(lim)(0'（求解时只需将x看作固定常量即可）。例8．求以下函数的导数（以下结果需熟记）：（1）常函数Cxf)(，（其中C为常数）；（2）三角函数xxfxxfcos)(,sin)(；（3）对数函数)0,1,0(log)(xaaxxfa.解：（1）000lim)(lim00'xxxxfCxx，即：0'C；（2）xxxxxxxxxxfxxfxxxx2sin)2cos(2limsin)sin(lim)()(limsin000'xxxxxxcos)2cos(22sinlim0，即：xxcossin'；类似可求出：xxsincos'.（3）)1(log1limlog)(loglim)(limlog000'xxxxxxxxxxfxaxaaxxaexxxxaxxaxlog1)1(log1lim0，即：.1ln,log1log'xxexxaa六、函数极值：1．极值定义：定义3若函数f在点0x的某邻域)(0xU内对一切)(0xUx有)()(0xfxf（)()(0xfxf），则称函数f在点0x取得极大（小）值，称点0x为极大（小）值点，称)(0xf为极大（小）值，极大值点、极小值点统称为极值点，极大值、极小值统称为极值。ya1x2x03x4xbx说明：①极值为局部概念，极值与极值点均可以有多个；最值为整体概念，若存在则必唯一；②极值不可能在一区间端点取得，只能在区间内部取得；最值无此限制；③若f在点0x取得最值，当0x为区间端点时，则此最值不是极值，但当0x为区间内部的点时，则此最值一定是极值。2．费马（Fermat）定理：从图象上可以看到，若点0x为函数f的极值点，且点)(,00xfx处曲线的切线存在（f在0x点可导），那么此切线应平行于x轴（0)(0'xf）。从而有：定理5.3(费马定理)若点0x为函数f的极值点，且f在0x点可导，则必有0)(0'xf.证明：这里以极大值的情形给予证明，对极小值情形类似可证之。设0x为函数f的极大值点，则对一切)(0xUx都有)()(0xfxf，于是，当0xx时：0)()(00xxxfxf；当0xx时：.0)()(00xxxfxf由函数极限的保不等式性有：0)()(lim)(000'0xxxfxfxfxx且0)()(lim)(000'0xxxfxfxfxx，又知)(0'xf存在，故由定理5.2便知0)(0'xf。说明：①稳定点：称满足0)(0'xf的点0x为函数f的稳定点（求法：解方程0)(xf）；②稳定点不一定是极值点（如函数3xy，点0x为稳定点但不是极值点）；③极值点不一定是稳定点，只有加上可导条件极值点才是稳定点（如函数xxf)(，点0x为极值点但不是稳定点）。yy3xyxy0x0x3．达布（Darboux）定理：定理5.4(达布定理，导函数的介值定理)若函数f在ba,上可导，且)()(''bfaf，k为介于)('af与)('bf之间的任一实数，则至少存在一点ba,，使得.)('kfy)('af)('bfa0bx证明：不妨设)()(''bfaf，则)()(''afkbf（此处介于指不等式严格成立）引入函数baxkxxfxF,,)()()(xf在ba,上可导，由定理5.1知)(xf在ba,上连续，)(xF在ba,上连续，由闭区间上连续函数的最值定理则：存在一点ba,，使得)(F为)(xF在ba,上的最大值，欲利用费马定理来证0)('F，需证以下两个方面：（ⅰ）为)(xF在ba,上的极大值，只需证a且b；（ⅱ）)(xF在点x可导；为此：axkaafkxxfaxaFxFaFaxax)()(lim)()(lim)(')1(0)(lim)()(lim)()()(lim'