對映是一種對應關係。
函式是一種對映,將變數間的關係形式化為數學描述。
令(y = f(x)),即(y)是(x)的函式,可以是(y = 2x + 1),也可以是(y = sin(x))。(x)的變化將引起(y)的變化,(x)的變化量( riangle x)導致(y)變化( riangle y),當變化量很小(趨近於0)時,為瞬間變化量,記為(dx)和(dy),瞬間變化量之比為瞬間變化率,即(frac{dy}{dx})。瞬間變化率(frac{dy}{dx})乘以(x)的瞬間變化量(dx)為(y)的瞬間變化量(dy)。
導數(Derivative),是對瞬間變化率的衡量,即(frac{dy}{dx}),導數也是函式,衡量每個(x)位置處的瞬間變化率。而微分(Differential,differentiation, differential calculus),指的是求導數——通過求瞬間變化量的關係來求導數。
當(x)為單變數時,導數為
[f`(a) = frac{dy}{dx}
vert _{x=a} = lim_{h
ightarrow 0} frac{f(a + h) – f(a)}{h}]
每個位置處的導數如下
基本初等函式包括:冪函式、指數函式、對數函式、三角函式、反三角函式、常數函式。
基本初等函式通過四則運算和複合可以得到複雜函式,其中減法與加法等價,除法與乘法等價:
- 加法(減法):(f(x)+g(x))
- 乘法(除法):(f(x)g(x))
- 複合:(f(g(x)))
加法的求導可以理解為變化量(率)的疊加,即(f` + g`);
乘法的求導可以理解為矩形面積的變化率,將(f(x))和(g(x))看成矩形的邊長,導數為$(frac{(f + df)(g+dg)}{dx}),在(dx)趨近於0時,面積增量為(fdg+gdf)(忽略了極小項),即導數為(f`g+fg`)。如下
複合函式的求導可以理解為變化率的傳遞,(y = f(u)),(u=g(x)),(x)的變化引起(u)的變化,(u)的變化引起(y)的變化,即(dy=frac{dy}{du} du =frac{dy}{du} frac{du}{dx} dx),(frac{dy}{dx}= frac{dy}{du} frac{du}{dx}),此為鏈式法則,(f`(x) = f`(g(x)) g`(x))。變化量的傳遞如下:
可以令(x)變化一個極小量如( riangle x=0.000001),帶入函式求(y)的變化量( riangle y),用(frac{ riangle y}{ riangle x})來估計(x)位置的導數,但這無疑是費時費力的,常見函式的導數一般都存在解析形式,如下: