🔷 定义 1:导数的定义
设函数 y=f(x) 在点 x0 的某个邻域(不是去心邻域)内有定义,若极限
x→x0limx−x0f(x)−f(x0)存在,则称函数 f(x) 在点 x0 处可导,并称该极限为函数 f(x) 在点 x0 处的导数,记作 f′(x0) 。
如果令 Δx=x−x0,Δy=f(x)−f(x0)=f(x0+Δx)−f(x0) ,则上式可以改写为:
Δx→0limΔxf(x0+Δx)−f(x0)=Δx→0limΔxΔy=f′(x0)
可以看出,导函数也是 ΔxΔy 的极限,因此导数也称差商。
如果 (1) 式极限不存在,则称函数 f(x) 在点 x0 处不可导。
由于在某一点的极限可以分为左极限和右极限,因此相应地可以定义左右导数:
🔷 定义 2:左右导数
(左导数)设函数 y=f(x) 在点 x0 的某个左邻域 (x0−δ,x0] 内有定义,若左极限
x→x0−limx−x0f(x)−f(x0)存在,则称该极限为函数 f(x) 在点 x0 处的左导数 ,记作 f−′(x0) 。
在点 x0 的某个右邻域 [x0,x0+δ) 内有定义,若右极限
x→x0+limx−x0f(x)−f(x0)存在,则称该极限为函数 f(x) 在点 x0 处的右导数,记作 f+′(x0) 。
相应地,左右导数也可以写成如下:
f−′(x0)=Δx→0−limΔxΔy=Δx→0−limΔxf(x0+Δx)−f(x0)f+′(x0)=Δx→0+limΔxΔy=Δx→0+limΔxf(x0+Δx)−f(x0)
左导数和右导数统称单侧导数。
🔶 定理 1
设函数 y=f(x) 在点 x0 的某个邻域内有定义,则:
f′(x0) 存在 ⟺ f−′(x0) 与 f+′(x0) 均存在且相等
证明:
( ⇒ )因为 f′(x0) 存在,因此极限
x→x0limx−x0f(x)−f(x0)
存在,因此该极限的左右极限存在且相等,也即 f−′(x0) 与 f+′(x0) 均存在且相等.
( ⇐ )因为 f−′(x0) 与 f+′(x0) 均存在且相等,因此左右极限
x→x0−limx−x0f(x)−f(x0)
与
x→x0+limx−x0f(x)−f(x0)
均存在且相等,因此 f′(x0) 存在。
📌 例 1
求函数 f(x)=x2 在点 x=0 处的导数。
解:
根据定义,求得:
f′(0)=x→0limx−0x2−0=0
因此函数 f(x)=x2 在点 x=0 处的导数 f′(0)=0 .
📌 例 2
求函数 f(x)=sinx 在点 x=0 处的导数。
解:
根据定义,得:
f′(0)=x→0limx−0sinx−0=1
因此函数 f(x)=x2 在点 x=0 处的导数 f′(0)=1 .
🔶 定理 2:可导的必要条件
若函数 y=f(x) 在点 x0 处可导,则 f(x) 在点 x0 处连续。
证明:
由于函数 y=f(x) 在点 x0 处可导,根据定义,极限
x→x0limx−x0f(x)−f(x0)
存在,由于分母极限为 0 ,因此分子极限为 0 ,也即
x→x0lim[f(x)−f(x0)]=0
因此
x→x0limf(x)=f(x0)=0
故 f(x) 在点 x0 处连续。
🔵 推论 1
上述命题的逆否命题成立,即若函数 y=f(x) 在点 x0 处不连续,则 f(x) 在点 x0 处不可导。
📌 例 3
证明符号函数
sgnx=⎩⎨⎧−1, 0 , 1 ,x<0x=0x>0在 x=0 处不可导。
证明:
由于 sgnx 在 x=0 处不连续,因此 sgnx 在 x=0 处不可导。
🔷 定义 3:导函数的定义
若函数 f(x) 在区间 I=(a,b) 上每一点都可导,则称 f(x) 在 I 上的可导函数。
对于每个 x∈I ,都存在 f′(x) 。此时称 f′(x) 为 f(x) 在 I 上的导函数,简称导数。其中
f′(x)=Δx→0limΔxf(x+Δx)−f(x) , x∈I
若 I 可以取到端点,如 I=[a,b] ,则端点的导数值即为端点的左导数或右导数。
因此有时候也可以用导函数表示导数值,即
f′(x0)=y′∣x=x0=f′(x)∣x=x0=dxdyx=x0
我们下面求一些基本初等函数的导数:
📌 例 4
求 f′(x) ,其中:
-
f(x)=C, C∈R
-
f(x)=xn, n∈N+
-
f(x)=sinx
-
f(x)=ax, a>0
-
f(x)=lnx
-
f(x)=arctanx
解:
f′(x)=Δx→0limΔxC−C=0
f′(x)=Δx→0limΔx(x+Δx)n−xn=Δx→0limk=1∑nCnkxn−k(Δx)k−1=nxn−1
f′(x)=Δx→0limΔxsin(x+Δx)−sinx=Δx→0limΔx2sin2Δxcos(x+2Δx)=cosx
f′(x)=Δx→0limΔxax+Δx−ax=axΔx→0limΔxaΔx−1=axlna
f′(x)=Δx→0limΔxln(x+Δx)−x=Δx→0limΔxln(1+xΔx)=x1
- 由 arctanA±arctanB=arctan1∓ABA±B ,因此:
f′(x)=Δx→0limΔxarctan(x+Δx)−arctanx=Δx→0limΔxarctan1+x2+xΔxΔx=1+x21