什么是微分

1 直观

简单地说,用来近似局部曲线的直线就称为微分。比如这里,若直线能近似点附近的曲线,那么就称这条直线,是曲线在处的微分。

不过显然不可能每条直线都能用来近似曲线,它应该满足一定条件,什么条件呢?以为中心做出一个区域,直观上,若随着区域不断减小,直线与曲线的距离不断减小,那么这样的直线,在数学上就被称为微分。

2 定义

建立了直观后,下面我们来看看数学家们给出的微分定义

设函数在某区间内有定义,在此区间内,如果函数增量:

可表示为:

其中是不依赖于的常数,那么称函数在点 可微 的,而叫作函数在点相应于自变量增量 微分 ,记作,即:

通常令,所以微分又可表示为

这个定义看起来很复杂,但重点就是这三个式子

(1)

(2)

(3)

这三个式子中,第一个式子就是曲线的表达式,第三个式子就是直线的表达式,而第二个式子表示的是曲线和直线之间相差一个

也就是说,若曲线与直线仅相差,那么这里的直线就是微分。有了大致了解后,我们首先就来看第一个式子,看看它为什么能表示曲线。

3 解释

有了大致了解后,我们首先就来看第一个式子

看看它为什么能表示曲线。

3.1 曲线

既然我们想要近似某点附近的曲线,那么已知条件这条曲线及曲线上的一点。

如果建立坐标系的话,该曲线可表示为函数,若此点的横坐标为,则纵坐标就是

然后在曲线上再任意取一点,用红色表示,在此坐标系下,该任意点的横坐标为,纵坐标为

如果令相对的增量,那么此任意点的横坐标,就可以改写为,纵坐标就可以改写为

这样

表示的就是函数值增量

下面,我们以为原点建立一个新的坐标系。我们来看看该任意点,在这个坐标系下的坐标。

在新坐标系中,该点相对于原点在水平方向上改变了,因此,在新坐标系下的横坐标为。该点相对于原点在竖直方向上改变了,因此,在新坐标系下的纵坐标为

这样,在新坐标系下,曲线就能用函数表示。

则此时第一个式子

表示的就是蓝色曲线

3.2 直线

看完了第一个式子,下面来看看第三个式子

看做斜率,那么就是以自变量为的直线。而前面说了,新坐标系下的自变量为,那么很自然的,新坐标系下过原点的直线。

3.3 差值

看完了第三个式子,最后我们来看看这第二个式子

由上面的式子,可以很容易地得到

可知,而前面是说过了,是曲线,是直线。那么就是曲线与直线之差

4 总结

这样我们就把微分定义中的三个公式都解释完了,最后来总结一下。若直线,与曲线仅相差一个的高阶无穷小。那么直线就是曲线在点处的微分。

5 补充

这里再补充一句,根据微分定义式中的第二个式子

可以很容易地得出

这里的就是我们常说的导数

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