admin 发表于 2024-11-15 12:24:32

考研数学:探讨微分与导数的区别,搞懂d与△的含义和含义,不要将其混为一谈

部分高中数学教材在导数的应用部分,直接引入了定积分的概念,却没有深入探讨微分的含义。很多同学不明白dx代表什么,而在大学学习高等数学时,由于导数与微分的结果在形式上非常相似,且可导是可微充要条件,有些同学甚至老师可能会偷懒,将可导与可微混为一谈。

导数与微分,实际上就是“变化率”与“变化量”的区别。

首先来看导数:

导数的定义相信都不陌生:

导数的定义

它是函数增量△y与自变量增量△x之比的极限。这个增量之比称为函数关于自变量的平均变化率。

先不讨论导数在几何上的意义,我们来看微分的引入。

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容易看出,面积的改变量△S=(x0+△x)^2-(x0)^2=2x0△x-(△x)^2

由前面极限部分的知识可知,当x趋于0时,可忽略掉二次方项。

定义:如果y=f(x)满足一定条件,则增量△y可表示为△y=A△x+o(△x)

y的微分dy=A△x(A为不依赖于x的常数),与y的增量相差了一个高阶无穷小,我们往往在计算中忽略掉高阶无穷小。

显然,dy为关于△x的线性函数,这样就把一个非线性函数在很小的一段上视为了线性函数,这叫作局部线性化。进行局部线性化后,便用A△x近似代替了△y。

由此得出,微分dy是增量△y的一个近似表示。通俗来说,增量就是微分加上一个高阶无穷小。我们在讨论问题时,往往使x趋于0 这时便有△y的极限=dy的极限(注意是极限,只有极限计算中才能忽略掉高阶无穷小。)

现在,我们把微分与求导联系起来。有定理:函数可导的条件是在这一点可微。

证明:

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我们发现,结果变成了y的导数。同理可由结果逆推得y的增量。这说明了可导与可微是等价的。

下面,用直观的几何图形来说明dy和△y的含义。

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dy和△y的几何解释

显然,dy只是视为该点处切线的y的增量,而△y是y=f(x)的增量,一般情况下是不相等的,而在x趋于0时,差的部分为△x的高阶无穷小,他们的极限便相等了。故dy/dx的极限是等于△y/△x的极限的。

导数在几何上的意义是点切线的斜率,有了斜率便可以求得y的变化量,形式上是两边同乘△x(由三角形知识可得)故导数与微分在数值上是相同的。

总结:对于一元函数,△y是x0有增量△x时函数的增量,而dy是函数在该点切线的y的增量。当x趋于0时它们的极限是相等的,它们与△x趋于0的极限之比即为该点的导数,在几何上体现为该点处切线的斜率。

对于多元函数有类似的定义,但是多元函数的情况要比一元函数复杂的多,对于微元的选取都不尽相同,但都不违背微分的”线性化“作用,以直代曲,近似计算,从而得出结果。

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