高等数学之函数的微分及微分和导数的关系

news2024/10/8 12:53:08

背景

看逻辑回归时,里面提到的微分和积分傻傻分不清,干脆来复习一下高等数学里面这部分的知识。

问题分析

先分析一个具体的问题:一块正方形金属薄片受到温度变化的影响,其边长从 x 0 x_0 x0 变到 x 0 + Δ x x_0+\Delta x x0+Δx,问此薄片的面积改变了多少?

热胀冷缩,边长增加了,则面积也会增加,正方形的面积公式为 A = x 2 A = x^{2} A=x2

受热之前的面积:
A 1 = x 0 2 \begin{align} A1=x_0^{2} \end{align} A1=x02

受热之后的面积:
A 2 = ( x 0 + Δ ) 2 = x 0 2 + 2 x 0 Δ x + Δ x 2 \begin{align} A2 &=(x_0+\Delta) ^{2} \newline &= x_0^{2} +2x_0\Delta x+\Delta x ^{2} \end{align} A2=x0+Δ)2=x02+2x0Δx+Δx2

公式 (3) 和公式(2)相减,得到受热后面积的增加量 Δ A \Delta A ΔA
Δ A = A 2 − A 1 = 2 x 0 Δ x + Δ x 2 \begin{align} \Delta A &= A2-A1 \newline &=2x_0\Delta x + \Delta x ^{2} \end{align} ΔA=A2A1=2x0Δx+Δx2

公式(5)的增量分为两部分,第一部分与原来的边长和边长增量有关 2 x 0 Δ x 2x_0\Delta x 2x0Δx,第二部分只与增量有关,且是增量的平方 Δ x 2 \Delta x ^{2} Δx2,这是一个高阶无穷小量。当边长改变很微小时,第二部分可近乎为0,那么增量就可近似用第一部分来替代。

高阶无穷小

lim ⁡ α → 0 β α = 0 \lim_{ α \to 0} \frac {β}{α}=0 limα0αβ=0,则称「β是比α较高阶的无穷小」,即在某一过程( x → x 0 x→x0 xx0 x → ∞ x→∞ x 这类过程) 中,β→0 比 α→0 更快一些。

微分通用定义

设函数 y = f ( x ) y=f(x) y=f(x) 在某区间内有定义: x 0 x_0 x0 x 0 + Δ x x_0+ \Delta x x0+Δx 在这区间内,如果函数的增量:
Δ y = f ( x 0 + Δ x ) − f ( x 0 ) \begin{align} \Delta y = f(x_0+\Delta x) - f(x_0) \end{align} Δy=f(x0+Δx)f(x0)

可表示为:
Δ y = A Δ x + o ( Δ x ) \begin{align} \Delta y = A\Delta x + o(\Delta x) \end{align} Δy=AΔx+o(Δx)

其中 A 是常量,那么称函数 y = f ( x ) y=f(x) y=f(x) 在点 x 0 x_0 x0 是可微的,而 A Δ x 0 A \Delta x_0 AΔx0 叫做函数 y = f ( x ) y=f(x) y=f(x) 在点 x 0 x_0 x0 相对于自变量的增量 Δ x \Delta x Δx 的微分,记做 d y dy dy ,即:
d y = A Δ x \begin{align} dy = A\Delta x \end{align} dy=AΔx

启示录

微分,顾名思义,微小的变化,它是自变量变化微小的量后,因变量与这个自变量变化量之间的关系。它就是用来求解因变量的微小变化量的。

导数,它是自变量的变化量和应变量的变化量的比值,在因变量变化量趋于0时的极限值。微分可以用导数来表示。

个人理解,未完、待继续整理……

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