数学分析 B1


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第三章 单变量函数微分学

3.1 导数

3.1.1 定义

曲线的切线

tanα(M)=kx=x0=limΔx0f(x+Δx)f(x)Δx\tan\alpha(M)=k|_{x=x_0}=\lim\limits_{\Delta x\to 0}\frac{f(x+\Delta x)-f(x)}{\Delta x}

3.1.2 导数四则运算

  1. (f(x)±g(x))=f(x)±g(x)(f(x)\pm g(x))'=f'(x)\pm g'(x)
  2. (f(x)g(x))=f(x)g(x)+f(x)g(x)(f(x)\cdot g(x))'=f'(x)\cdot g(x)+f(x)\cdot g'(x)
  3. (f(x)g(x))=f(x)g(x)f(x)g(x)g2(x)\left(\frac{f(x)}{g(x)}\right)'=\frac{f'(x)g(x)-f(x)g'(x)}{g^2(x)}
  4. f(g(x))=f(g(x))g(x)f(g(x))'=f'(g(x))g'(x)

3.2 微分

可导与可微等价,当且仅当单变量的情况

dy=f(x)dx\operatorname{d}y=f'(x)\operatorname{d}x

3.3 微分中值定理

3.3.1 极值

x0I,\exists x_0\in I, 使得 ε>0,xx0<ε\exists \varepsilon>0,|x-x_0|<\varepsilonf(x)f(x9)f(x)\le f(x_9)(或 f(x)f(x0)f(x)\ge f(x_0)

3.3.2 Fermat 定理

f(x)f(x)II 内部一点 x0x_0 取到极值,且 f(x)f(x)II 上可导,则极值点的导数等于 00

证明:不妨只对 x0x_0 是极大值情况进行证明。
f(x0+h)f(x0)0f(x0+h)f(x0)h0f(x_0+h)-f(x_0)\leq 0\Rightarrow\frac{f(x_0 + h)-f(x_0)}{h}\leq 0
hh 取趋向于 00 的极限,有 f+(x0)0f_{+}'(x_0)\leq 0
同理 f(x0)0f_{-}'(x_0)\geq 0
由于极限存在,所以 f(x0)=f(x0)=f+(x0)=0f(x_0)=f_{-}'(x_0)=f_{+}'(x_0)=0

极值点一定 f(x0)=0f'(x_0)=0,但是 f(x0)=0f'(x_0)=0 不一定是极值点

f(x0)=0f'(x_0)=0x0x_0 称为函数驻点

3.3.3 Rolle 定理

f(x)f(x) 在闭区间 [l,r][l,r] 上连续,开区间 (l,r)(l,r) 上可导,而且 f(a)=f(b)f(a)=f(b),那么 ξ(l,r)\exists\xi\in(l,r) 使得 f(ξ)=0f'(\xi)=0

证明:f(x)f(x) 为常数显然;f(x)f(x) 不为常数一定有最大值 & 最小值

3.3.4 Lagrange 中值定理

f(x)f(x) 在闭区间 [l,r][l,r] 上连续,开区间 (l,r)(l,r) 上可导,那么 ξ(l,r)\exists\xi\in(l,r) 使得 f(ξ)=f(b)f(a)baf'(\xi)=\frac{f(b)-f(a)}{b-a}

证明:记直线方程 g(x)=f(b)f(a)ba(xa)+f(a)g(x)=\frac{f(b)-f(a)}{b-a}(x-a)+f(a),利用 Rolle 定理,记 F(x)=f(x)g(x)F(x)=f(x)-g(x) 容易验证定理所述为真