單變數微分、導數與鏈式法則

Mr-Lee發表於2019-01-26

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。

(y = f(x)),即(y)(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)(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)(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。

(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}]

Derivative
每個位置處的導數如下
Derivative

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:

  1. 加法(減法):(f(x)+g(x))
  2. 乘法(除法):(f(x)g(x))
  3. 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))(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
單變數微分、導數與鏈式法則
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:
Chain Rule

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:
Derivatives of Common Functions

參考

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