3.3 微分公式

預備知識

2.3 以極限定律求極限

3.1 微分

3.2 微分函數

 

3.1 微分當中,我們介紹了微分的定義,3.2 微分函數當中介紹了微分函數的觀念。我們欲求一函數之微分函數(或稱導函數),每每須由下列定義來求:

                                        (1)

過程中需要用到各種極限定律,計算往往冗長不便,在本節中,我們將介紹一些微分公式以替代上述直接由定義求微分的方式,可節省我們很多時間與力氣。

 

3.3.1 微分公式

(1)為一常數,

(2)

(3)冪次定律:若為一整數,則

(4)為一常數,可微分,則

(5)加法定律:若皆可微分,則

(6)減法定律:若皆可微分,則

(7)乘法定律:若皆可微分,則

(8)除法定律:若皆可微分,則

 

【證明】這些微分公式皆可由式(1)證明:

(1)

其直觀意義可由圖一中函數圖形每一點之切線皆為水平得到驗證。

(2)

其直觀意義可由圖二中函數圖形得到驗證。

 

(3)

在此 限制為正整數,稍後我們可將此推廣至整數,在3.7隱微分中又可將此推廣至有理數,最後在7.4一般對數及指數函數可將此推廣最極至,亦即 為所有實數皆成立。

 

(4)

 

(5)

 

(6)同上,將“”改成“”即可同理推導之,讀者可自行練習。

 

(7)           

(8)

                          ■

 

利用上述之除法定律,可將上述之冪次定律延伸至為整數之情形:

 

定理 3.3.2

為一整數,則

 

【證明】

1)為正整數,證明如3.3.1。

2) 時, ,左=右,故得證。或許有人會注意到上述 有問題,當 時變成 不一定會等於 。沒錯,不過這時候有一個更大的問題要先研究,當 時,左邊的 我們都知道 的任何次方是 ,任何數的 次方是 ,那麼 還是 ?還是公平起見,取 為答案?這不是個小問題!我們要等到7.7不定型極限與羅必達定律才能回答,所以在此假設 ,避開此問題。

3為負整數時,令,則為一正整數,由3.3.1中羃次、除法定律及其他公式:

 

綜合上述(1)、(2)、(3),吾人可將羃次定律推廣至為整數。           ■

 

如前所述,事實上羃次定律可推廣至為實數之情形:

 

3.3.3 一般羃次定律

為一實數,則

 

雖然直覺上,推廣至實數好像是順理成章之事,但是此定律的證明卻要等到7.4一般對數與指數函數,因為你要先回答 是什麼?我們在中學都學過的整數次方是什麼,例如的負整數次方又是什麼,例如的有理數次方又是什麼,例如,而且我們學過如何用筆算出的小數,但是你如何定義的無理數次方,如呢?是否為相乘呢?那麼相乘又是什麼意思?這些問題都要先回答,然後才能談到上述定律的證明。目前我們不妨先接受這個定律,並用他來計算微分。

 

例題1.求

【解】

   (由3.3.1之(4)、(5)、(6))

  (由3.3.11)、(2)、(3))

                                   

 

例題2.若,求

【解】由3.3.1(7)乘法定律,

另外,,由3.3.1(3)(4),

可驗證上述答案。                                  ■

 

 

例題3. ,求

【解】由3.3.1(8)除法定律及其他:

                                    ■

 

例題4.求下列微分:

                              

【解】由3.3.3

                                       ■

 

 

3.3習題

1. 處之切線方程式。

2. 雙曲線在何處有切線平行

3. 為可微分之函數,試證明

4. 試求

5. ,試問在何處可微分?試畫出之圖形。

習題解答