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求导

导数描述了某个点附近的最佳近似,因此微小变化量是导数的本质。

让我们先从幂函数的导数说起吧。

\[\frac{dx^n}{dx}=nx^{n-1}\]

面积增量

$A=x^2$ 表示边长为 $x$ 的面积。

$x$ 的微小增量 $dx$ 会引起 $A$ 的微小增量 $dA$。

$A$ 的几何意义是正方形,其面积增量为:

\[dA = xdx + xdx + (dx)^2\]

因此对应的导数为:

\[\frac{dA}{dx} = 2x\]

体积增量

$V=x^2$ 表示边长为 $x$ 的体积。

$V$ 的几何意义是正方体,其面积增量为:

\[dV=3x^2dx + (\cdots)(dx)^2\]

因此对应的导数为:

\[\frac{dV}{dx}=3x^2\]

对于大于 3 的自然数,其推理规则类似。

幂函数导数

从面积增量到体积增量,我们能推到出

\[\frac{d(x^n)}{dx}=nx^{n-1}\]

反函数

尝试从几何角度解读 $1/x$ 的导数。

$1/x$ 的图像可以解读为面积为 1 的矩形。

\[x\cdot \frac1x=1\]

此时给 x 一个微小的底边增量 $dx$,则有:

\[-\frac1x dx= (x+d(\frac1x))d(\frac1x)\]

左边表示增加的面积,右边表示减少的面积,左边的负号表示将增加变为减少

化简即可得到:

\[\frac{d(1/x)}{dx} = -(1/x^2)-\frac{d(1/x)}{x}\cdot\frac{d(1/x)}{dx}\]

由于 $d(1/x)$ 是趋于 0 的,而 $x$ 是定值,得:

\[\frac{d(1/x)}{dx} = -x^{-2}\]

根号

来求一下 $\sqrt{x}$ 的导数,$\sqrt{x}$ 和 $x$ 关系如下:

\[\sqrt{x}\cdot\sqrt{x}=x\]

则给 x 一个微小的面积增量 $dx$,则有:

\[dx=2\sqrt{x}d\sqrt{x}+d\sqrt{x}\cdot d\sqrt{x}\]

化简可得:

\[\frac{d\sqrt{x}}{dx}=\frac1{2\sqrt{x}}+\frac{d\sqrt{x}}{2\sqrt{x}}\cdot\frac{d\sqrt{x}}{dx}\]

由于 $d\sqrt{x}$ 是趋于 0 的,而 $\sqrt{x}$ 是定值,得:

\[\frac{d\sqrt{x}}{dx}=\frac1{2\sqrt{x}}\]

正弦函数

三角函数是单位圆中 $\theta$ 与其他边的关系函数。

对于一个微小的角度增量 $\theta$,微观角度下是条直线,根据三角形相似有:

\[\frac{d(\sin\theta)}{d\theta}=\frac{\cos\theta}1\]

你也可以利用同样的方法求 $\cos\theta$ 的导数。