第三章 导数与微分#
课后习题解答#
§3.1 导数的概念#
设 \(f(x)\) 在 \(x_0\) 处可导, 求下列极限值.
\(\lim\limits_{\Delta x \to 0} \dfrac{f(x_0 + 2\Delta x) - f(x_0 - \Delta x)}{\Delta x}\).
由可导的定义, 有
因此
已知 \(f(x) = \begin{cases} \sin x, & x > 0, \\ e^x, & x \leqslant 0, \end{cases}\) 求 \(f'(x)\).
当 \(x > 0\) 时, \(f(x) = \sin x\), 因此 \(f'(x) = \cos x\).
当 \(x < 0\) 时, \(f(x) = e^x\), 因此 \(f'(x) = e^x\).
当 \(x = 0\) 时, \(\lim\limits_{x \to 0^+} f(x) = \lim\limits_{x \to 0^+} \sin x = 0\), \(\lim\limits_{x \to 0^-} f(x) = \lim\limits_{x \to 0^-} e^x = 1\), 因此 \(f(x)\) 在 \(x = 0\) 处不连续, 故不可导. 综上所述, 有
备注
这题要注意的地方是, 不要把导函数的单边极限 \(\lim\limits_{x \to 0^+} f'(x)\), \(\lim\limits_{x \to 0^-} f'(x)\), 和单边导数 \(f'_+(0)\), \(f'_-(0)\) 搞混了.
§3.2 求导法则#
§3.3 高阶导数#
证明: 函数
\[\begin{split}f(x) = \begin{cases} e^{-\frac{1}{x^2}}, & x \neq 0, \\ 0, & x = 0, \end{cases}\end{split}\]在 \(x = 0\) 处 \(n\) 阶可导且 \(f^{(n)}(0) = 0\), 其中 \(n\) 是任意的正整数.
由题意可知, 当 \(x \neq 0\) 时, \(f(x) = e^{-\frac{1}{x^2}}\) 是一个初等函数, 因此在 \(x \neq 0\) 时, \(f(x)\) 存在任意阶导数.
下面用数学归纳法证明 \(f(x)\) 在 \(x = 0\) 处 \(n\) 阶可导且 \(f^{(n)}(0) = 0\).
当 \(n = 1\) 时, 有
假设当 \(n = k\) 时, \(f^{(k)}(0) = 0\) 成立, 那么当 \(n = k + 1\) 时, 有
注意到 \(f^{(k)}(x)\) 是由初等函数通过有限次求导得到的函数, 其中前几项为
因此可以归纳地得到 (用数学归纳法验证), 对任意的正整数 \(k\), 有
其中 \(P_k(t)\) 是关于 \(t\) 的多项式. 验证 \(f^{(k+1)}(x) = P_{k+1}\left( \dfrac{1}{x} \right) e^{-\frac{1}{x^2}}\):
这里, \(P_{k+1}(t) = -t^2 P_k'(t) + 2t^3 P_k(t)\). 因此
§3.4 函数的微分#
补充内容#
§3.1 导数的概念#
处处连续, 但处处不可导的函数: Generalized Van der Waerden-Takagi 函数.
该函数定义如下
\[\begin{split}& \varphi(x) = d(x, \mathbb{Z}) = \min_{n \in \mathbb{Z}} |x - n|, \quad x \in \mathbb{R}, \\ & f(x) = \sum_{n=0}^{\infty} a^n \varphi(b^n x).\end{split}\]当 \(0 < a < 1\), \(b \in \mathbb{N}_{\geqslant 2}\), 且 \(ab \geqslant 1\) 时, \(f(x)\) 是一个在 \(\mathbb{R}\) 上处处不可导的连续函数.
那么, 处处可导, 但导函数处处不连续的函数是否存在呢? 答案是不存在.
§3.3 高阶导数#
莱布尼茨公式 \((uv)^{(n)} = \sum\limits_{k=0}^n C_n^k u^{(k)} v^{(n-k)}\) 的证明:
用数学归纳法证明. 当 \(n = 1\) 时, \((uv)' = u'v + uv'\), 成立.
假设当 \(n = k\) 时, \((uv)^{(k)} = \sum\limits_{i=0}^k C_k^i u^{(i)} v^{(k-i)}\) 成立, 那么 \(n = k + 1\) 时有
于是当 \(n = k + 1\) 时, \((uv)^{(n)} = \sum\limits_{i=0}^n C_n^i u^{(i)} v^{(n-i)}\) 成立. 根据数学归纳法原理, 对于任意的 \(n \in \mathbb{N}\), \((uv)^{(n)} = \sum\limits_{i=0}^n C_n^i u^{(i)} v^{(n-i)}\) 成立.