微积分的故事(8):导数

显然,我们在曲线的一点上定义了切线,那么在平滑曲线的其它点上也能定义切线。因为每条切线都有一个斜率,所以,曲线上的任何一点都有一个斜率值跟它对应。两个量之间存在一种对应关系,这是什么?这就是函数啊。

函数y=f(x)不就是告诉我们:给定一个x,就有一个y跟它对应么?现在我们是给定一个点(假设横坐标为x),就有一个斜率dy/dx跟它对应。显然,这也是个函数,这个函数就叫导函数,简称导数。

在中学的时候,我们通常在函数f(x)的右上角加上一撇表示这个函数的导数,那么现在这两种情况就都表示导数:

微积分的故事(8):导数

所以,导数f’(x)就可以表示横坐标为x的地方对应切线的斜率,它表示曲线在这一点上的倾斜程度。如果导数f’(x)的值比较大,曲线就比较陡,f’(x)比较小,曲线就比较平缓。于是,我们就可以用导数来描述曲线的倾斜程度了。

下面我们来看一个简单的例子,看看如何实际求一个函数的导数。

例1:求函数f(x)=x²的导数。

这还是我们前面说的抛物线,它的函数图像是这样的:

微积分的故事(8):导数

求函数的导数,就是求函数在每一点切线的斜率,而切线就是曲线上两个相距无穷小的点确定的直线。

那就好说了,我们假设曲线上有一个横坐标为x的点,那么,跟它距离无穷小的点的横坐标就是x+dx,由于这个点也在曲线f(x)=x²上,所以它的纵坐标就是(x+dx)²,即:

微积分的故事(8):导数

然后,我们用这两个点的纵坐标之差f(x+dx)-f(x)除以横坐标之差(x+dx)-x就能算出x点的切线斜率。因为这个x是任意取的,所以得到的结果就是任意点的切线斜率,那么这就是导数了:

微积分的故事(8):导数

到这一步都很简单,接下来就有问题了:这上面和下面的dx到底能不能约掉?

我们知道,除数是不能为0的,如果你想分子分母同时除以一个数,就必须保证这个数不是0。现在我们是想除以dx,这个dx就是我们前面定义的无穷小量,它无限接近于0却又不等于0。

所以,似乎我们姑且把它当作一个非零的量直接给约掉,那么导数上下同时除以dx就成了这样:

微积分的故事(8):导数

这个式子看起来简洁了一些,但是后面还是拖了一个小尾巴dx。

2x是一个有限的数,一个有限的数加上一个无穷小量,结果是多少?似乎还是应该等于这个具体的数。比如,100加上一个无穷小,结果应该还是100,因为如果等于100.00…0001那就不对了,无穷小肯定比你所有能给出的数还小啊,那么也肯定必须比0.00…001还小。

所以,我们似乎又有充足的理由把2x后面的这个dx也给去掉,就像丢掉一个等于0的数一样,这样最终的导数就可以简单地写成这样:

微积分的故事(8):导数

大家看这个导数,当x越来越大(x>0)的时候,f(x)’的值也是越来越大的。而导数是用来表示函数的倾斜程度的,也就是说,当x越来越大的时候,曲线就越来越陡,这跟图像完全一致。

所以,我们通过约掉一个(非零的)dx,再丢掉一个(等于零的)dx得到的导数f(x)’=2x竟然是正确的。

但是这逻辑上就很奇怪了:一个无限趋近于0的无穷小量dx到底是不是0?如果是0,那么为什么可以让分子分母同时除以它来约分;如果不是0,那又为什么可以把它随意舍弃?

总不能同时等于零又不等于零吧?你又不是薛定谔家的无穷小量。

微积分的故事(8):导数

数学不是变戏法,怎么能这么随意呢?于是,这个无穷小量就又招来了一堆批判。为什么说“又”呢?因为我在前面讲积分的时候就说了一次,在这里就体现得更明显了,眼见第二次数学危机大兵压境~。



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