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区间测速和仪表盘,为什么不是一个读数?#
你开车经过一段 2 公里的路,用时 2 分钟。区间平均速度是 60 km/h。但这不能说明你每一刻都开 60:你可能前半段快,后半段慢。
把模型缩小一点:一辆小车行驶 t 秒后的位置为 s(t)=t2 米。第 2 秒到第 3 秒的平均速度是 (9−4)/1=5 米/秒。第 2 秒到第 2.1 秒则是 (4.41−4)/0.1=4.1 米/秒。
把观察窗口继续缩短,[s(2+h)−s(2)]/h=4+h 会接近 4。于是“第 2 秒这一刻的速度”定义为 4 米/秒。导数就是这个读数;切线是在位置图上记录它的办法。
先算一秒,再算十分之一秒,最后才谈一瞬间#
对位置 s(t)=t2,从时刻 t 到 t+h,小车走了
Δs=(t+h)2−t2=2th+h2.除以真正经过的时间 h=0,平均速度为 2t+h。这里没有把时间“直接变成零”,因为除以零本来就没有定义。我们做的是:对越来越小但非零的 h,观察平均速度越来越接近哪个数。
在 t=2 时,可列出一张自己能核算的表:
| 时间窗口 h(秒) | 平均速度(米/秒) |
|---|
| 1 | 5 |
| 0.1 | 4.1 |
| 0.01 | 4.01 |
| −0.01 | 3.99 |
负的 h 表示往过去看一小段。两侧都靠近 4,因此导数取 4。它不是“某个无限小时间里的商”,而是一串合法平均值的极限。
同一个计算,为什么还能解释切线#
在位置—时间图上,连接 (t,s(t)) 与 (t+h,s(t+h)),直线斜率正是刚才的平均速度。第二点靠近第一点时,直线趋向局部的切线。于是“速度”和“斜率”不是两个碰巧共用公式的定义,而是同一个差商的物理与几何解释。
但切线不意味着曲线在一段范围内真的变直。对 t=2,
s(2+h)=4+4h+h2.线性预测是 4+4h,真实误差是 h2。当 h=0.1,位置误差为 0.01 米;当 h=0.01,误差为 0.0001 米。缩短十倍窗口,线性近似的误差缩小一百倍。这正是它有用的原因。
乘积法则可以从一块桌面长出来#
长方形边长是 u,v,分别增加 Δu,Δv。面积新增三部分:一条 vΔu 的长条、一条 uΔv 的长条,以及角落的 ΔuΔv 小块。
若两边都随时间变化,且 Δu=u′h+o(h)、Δv=v′h+o(h),除以时间 h 后,角落小块的贡献趋零,另外两条留下 vu′+uv′。所以 (uv)′=u′v+uv′。
这里可以看出一个普遍规则:一阶近似保留“一个小量”,丢掉“两个小量相乘”所产生的更高阶余项。不是因为它们等于零,而是因为除以 h 后它们的贡献趋零。

链式法则是一串比例尺#
烤箱功率旋钮 x 先影响温度 T=g(x),温度再影响某个反应速度 r=f(T)。旋钮变一点 Δx,温度约变 g′(x)Δx;反应速度再约变 f′(T)g′(x)Δx。
两段放大率相乘,便得到链式法则。数值例:在工作点,旋钮每单位让温度升 5°C,温度每升 1°C 让反应速度增 2 个单位,那么旋钮每单位的局部影响就是 10 个单位。只有当两段近似都在同一工作点附近成立,这个估计才可靠。
为什么尖角没有导数#
对 f(x)=∣x∣,零点右边的差商为 1,左边为 −1。它们各自稳定,却没有共同读数。因此问题不在函数值是否连续,而在有没有一条能够同时解释两边变化的局部直线。下面的正式定义会把“同时解释所有足够小的变化”写为一个极限。
带你做:气球半径增长,体积会怎样增长#
一个理想球形气球的半径 r 以每秒 0.2 厘米增长。半径恰为 5 厘米时,体积每秒增加多少?先分清三个量:时间 t、半径 r(t)、体积 V(r)=4πr3/3。
对半径求导得 dV/dr=4πr2,对时间则要再乘 dr/dt:
dtdV=4πr2dtdr=4π×25×0.2=20π 立方厘米/秒.你也可以从薄壳理解:半径增加一小段,相当于表面外面长出一层很薄的体积,约为表面积乘厚度。单位核对是平方厘米乘厘米/秒,正好得到立方厘米/秒。
不要把结果写成半径的增长速度 0.2,也不要只算 4πr2 就停:前者漏掉形状,后者还没把半径变化换成时间变化。链式法则让每一步的输入输出接口都对齐。
回头整理:定义、工具与练习#
导数衡量什么#
位置为 s(t) 时,平均速度是 [s(t+h)−s(t)]/h。若 h→0 时极限存在,就定义为瞬时速度 s′(t)。
更有用的等价形式是
f(a+h)=f(a)+f′(a)h+o(h),ho(h)→0.导数把弯曲的函数在一点附近替换为线性函数。o(h) 不是固定函数名,而是“比 h 更小一阶”的余项记号。
例:1+h=1+21h+o(h),因此 1.02≈1.01。这是一阶近似;若要保证小数位,需要进一步估计余项。

从定义推导一个法则#
乘积差可以拆成
f(a+h)g(a+h)−f(a)g(a)=[f(a+h)−f(a)]g(a+h)+f(a)[g(a+h)−g(a)].除以 h 后取极限,利用可导蕴含连续,得到 (fg)′=f′g+fg′。求导法则不是凭记忆拼装,而是误差的组织方式。
常用导数#
| 函数 | 导数 | 约束 |
|---|
| xr | rxr−1 | 任意实数 r 时先取 x>0 |
| ex | ex | 全实轴 |
| logx | 1/x | x>0,此处为自然对数 |
| sinx | cosx | 弧度制 |
| cosx | −sinx | 弧度制 |
| 1/f | −f′/f2 | f=0 |
链式法则#
若 g 在 a 可导、f 在 g(a) 可导,则
(f∘g)′(a)=f′(g(a))g′(a).先把输入改变量线性化,再把输出改变量线性化,斜率相乘。例如 (ex2)′=2xex2。这个法则在多变量中会变成 Jacobian 矩阵相乘。
隐函数例:由 x2+y(x)2=1 得 2x+2yy′=0,在 y=0 的分支上有 y′=−x/y。不能把这个式子直接用于圆的左右端点,那里不能局部写成可导的 y(x)。
可导比连续强#
可导蕴含连续,因为 f(a+h)−f(a)=[f′(a)+o(1)]h→0。反向不成立,∣x∣ 在零点左右斜率不同。
有导数也不保证导函数连续。令 f(x)=x2sin(1/x)(x=0)、f(0)=0。差商趋零,故 f′(0)=0;但 f′(x)=2xsin(1/x)−cos(1/x) 在零点振荡。
练习与解答#
- 求 log(1+x2) 的导数。
- 用导数估计 1/1.01。
- f(x)=∣x∣3/2 在零点可导吗?
解答:1. 2x/(1+x2)。2. 1/(1+h)=1−h+o(h),得约 0.99。3. 差商为 sgn(h)∣h∣1/2→0,所以可导且导数为零。函数外观“有尖的趋势”不能替代差商检验。