導數

導數是微積分學中的一個概念。函式在某一點的導數是指這個函式在這一點附近的變化率。導數的本質是透過極限的概念對函式進行區域性的線性逼近。當函式formula_1的自變數在一點formula_2上產生一個增量formula_3時，函式輸出值的增量與自變數增量formula_3的比值在formula_3趨於0時的極限如果存在，即為formula_1在formula_2處的導數，記作formula_8、formula_9或formula_10。例如在運動學中，物體的位移對於時間的導數就是物體的瞬時速度:153。導數是函式的區域性性質。不是所有的函式都有導數，一個函式也不一定在所有的點上都有導數。若某函式在某一點導數存在，則稱其在這一點可導(可微分)，否則稱為不可導(不可微分)。如果函式的自變數和取值都是實數的話，那麼函式在某一點的導數就是該函式所代表的曲線在這一點上的切線斜率。對於可導的函式formula_1，formula_12也是一個函式，稱作formula_1的導函式。尋找已知的函式在某點的導數或其導函式的過程稱為求導。反之，已知導函式也可以倒過來求原來的函式，即不定積分。微積分基本定理說明了求原函式與積分是等價的:372。求導和積分是一對互逆的操作，它們都是微積分學中最為基礎的概念。定義.一般定義.直觀上 formula_14代表函式值從 formula_15 到 formula_16 的變化量，那這樣，formula_17代表的是從 formula_15 到 formula_16 的平均變化率，如果把 formula_16 趨近於 formula_15，似乎就可以更能貼切的描述函式值在 formula_15 附近的變化。以此為動機，若實函式 formula_1 於實數 formula_15 有定義，且以下極限formula_26存在則稱 formula_1 於 formula_15 處可導，並稱這個極限為 formula_1 於 formula_15 處的導數:117-118，記為formula_31也可記作 formula_32 或 formula_33 :154。根據函式極限的定義，導數定義部分的 ＂存在 formula_34 使所有的 formula_35 ，只要 formula_36 都有...＂ 可以直觀的理解為 ＂當 formula_37 趨近於 formula_38 都有...＂，但要把它寫成嚴謹的定義，會碰到 ＂存在 formula_34 對所有的實數 formula_40 ，只要 formula_41 且 formula_42 都有...＂這段敘述無法直接套入極限定義的問題，對此必須把以下的表示式formula_43定義為導數原始極限表示式的簡記，而非另一種自動合法的導數定義。但如果存在 formula_44 ，使 formula_1 在 formula_46 裡都有定義，那定義 formula_47 為以formula_48為定義域，然後以formula_49為對應規則的函式，那以下的極限式formula_50就可以把以 formula_40 為自變數的偏差，將之趨近於零求導數的想法納入正式的運算裡。幾何意義.當函式定義域和取值都在實數域中的時候，導數可以表示函式的曲線上的切線斜率。如右圖所示，設formula_52為曲線上的一個定點，formula_53為曲線上的一個動點。當formula_53沿曲線逐漸趨向於點formula_52時，並且割線formula_56的極限位置formula_57存在，則稱formula_57為曲線在formula_52處的切線。若曲線為一函式formula_60的影象，那麼割線formula_56的斜率為：formula_62當formula_52處的切線formula_57，即formula_56的極限位置存在時，此時formula_66，formula_67，則formula_57的斜率formula_69為：formula_70上式與一般定義中的導數定義完全相同，也就是說formula_71，因此，導數的幾何意義即曲線formula_60在點formula_73處切線的斜率。:117:153導數、導函式與微分運算元.若函式 formula_74 在其定義域包含的某區間 formula_75 內每一個點都可導，那麼也可以說函式formula_74 在區間 formula_75 內可導，這時對於 formula_75 內每一個確定的formula_79 值，都對應著 formula_80 的一個確定的導數值，如此一來就構成了一個新的函式formula_12，這個函式稱作原來函式 formula_74 的導函式:155，記作：formula_83、formula_84 或者 formula_85。值得注意的是，導數是一個數，是指函式 formula_86 在點 formula_87 處導函式的函式值。但在不至於混淆的情況下，通常也可以說導函式為導數。由於對每一個可導的函式 formula_74，都有它的導函式 formula_84 存在，我們還可以定義將函式對映到其導函式的運算元。這個運算元稱為微分運算元，一般記作 formula_90 或 formula_91。例如：formula_92由於微分運算元的輸出值仍然是函式，可以繼續求出它在某一點的取值。比如說對於函式 formula_93，formula_94所以formula_95，formula_96。導數與微分.微分也是一種線性描述函式在一點附近變化的方式。微分和導數是兩個不同的概念。但是，對一元函式來說，可微與可導是完全等價的。可微的函式，其微分等於導數乘以自變數的微分formula_97，換句話說，函式的微分與自變數的微分之商等於該函式的導數。因此，導數也叫做微商。函式formula_98的微分又可記作formula_99。歷史.導數和積分的發現是微積分發明的關鍵一步。17世紀以來，光學透鏡的設計以及炮彈彈道軌跡的計算促使歐洲的數學家對曲線的切線進行研究。1630年代，法國數學家吉爾·德·羅伯瓦爾作出了最初的嘗試。與此同時，同是法國人的費馬在計算切線時已經使用了無窮小量的概念:52。如右圖，費馬考慮曲線 formula_100 在 formula_16 處的切線。他聲稱，對於切線，有以下的關係成立：formula_102對上式變形後得到：formula_103對於具體的函式 formula_100，比如 formula_105，費馬計算 formula_106 的值，並將 formula_3設為0，就得到 formula_108，從而確定切線的斜率。可以看出，費馬的方法實質上已經是求導。費馬還給出了 formula_100 為多項式時切線的公式。英國的巴羅、荷蘭的於德繼續了費馬的工作。然而，費馬和巴羅等人並沒有將求導歸納為一種獨立的工具，只是給出了具體的計算技巧。1660年代，英國人伊薩克·牛頓提出了“流數”的概念。牛頓在寫於1671年的《流數法與無窮級數》中對流數的解釋是：“我把時間看作是連續的流動或增長，而其他的量則隨著時間而連續增長。我從時間流動性出發，把所有其他量的增長速度稱為流數。”也就是說，流數就是導數。牛頓將無窮小的時間間隔定義為“瞬間”，而一個量的增量則是流數與瞬間的乘積。求導數時，牛頓將自變數和因變數兩邊展開，同時除以瞬間，再將剩下的項中含有瞬間的項忽略掉:72。而在他的第三篇微積分論文中，牛頓使用了新的概念：最初比和最後比。他說：相比於牛頓，德國數學家萊布尼茲使用了更清晰的記號來描述導數。他利用了巴羅的“微分三角形”概念，將自變數和因變數的增量記為 formula_110 和 formula_111。他把 formula_110 理解為“比任何給定的長度都要小”，而 formula_111 則是 formula_16 移動時 formula_115“瞬刻的增長”:89。而導數則是兩者之間的比例。他還研究了函式之和、差、積、商的求導法則。牛頓和萊布尼茲的差別在於，牛頓將無窮小量作為求流數或導數的工具，而萊布尼茲則用無窮小量的比值來表示導數。這與二人的哲學思想差異有關:92。微積分的理論面世後，遭到了有關無窮小量定義的攻擊與質疑。導數的定義自然也包括在內。萊布尼茲和牛頓對無窮小量的認識都是模糊的。不僅如此，萊布尼茲甚至引入了formula_116 和 formula_117，稱其為“未消失的量”，用以進行求導前部的計算。在完成計算後再用“消失的量”formula_110 和 formula_111來代替它們，並假定前兩者之比等於後兩者之比，認為這是一個不容置疑的真理:102。許多數學家，包括伯努利兄弟、泰勒、麥克勞林、達朗貝爾、拉格朗日和尤拉都想要對微積分的嚴密性辯護或將微積分嚴密化。但受限於對無窮小量的認識，十八世紀的數學家並沒有做出太大的成果。微積分的強烈抨擊者，英國的喬治·貝克萊主教在攻擊無窮小量時認為，流數實際上是“消失的量的鬼魂”，是0與0之比。尤拉承認後者，並認為0與0之比可以是有限值。拉格朗日則假定函式都可以展開為冪級數，並在此基礎上定義導數:154-156。十九世紀後，隨著對函式連續性和極限的更深刻認識，微積分終於趨於嚴謹。波爾查諾是首先將導數定義為函式值的改變數與自變數增量之比在自變數增量無限接近0時趨向的量。波爾查諾強調導數不是0與0之比，而是前面的比值趨向的數:10。柯西在他的著作《無窮小分析教程概論》中也使用了同樣的定義，並定義formula_111 為導數與 formula_110 的乘積。這樣，導數和微分的概念得到了統一:11。導數的記法.從微積分發軔至如今，不同的數學家都曾使用過不同的記號來表示函式的導數。部分記號至今仍然使用，成為現代的通用記法。牛頓的記法.作為微積分的發明人之一，牛頓在1704年著作中將導數用函式符號上方的點來表示。例如 formula_98的導數就記作formula_123，而二階導數則記為formula_124:193-196。他以後的數學家也會將formula_123用來表示函式的微分。牛頓的記法中沒有明確自變數，因此 formula_115 對 formula_16 的導數在牛頓的著作中也會被記成formula_128，因為這可以理解為兩個函式formula_115 和 formula_16 對於另一個變數formula_131 的導數比:196。而這個導數比：formula_132牛頓的記號多見於物理學或與之有關的方面，如微分方程中。以及直到現在，使用函式符號上加一點來表示某一變數的變化率。注意到對於高階的導數，這種記法就無法表示了。萊布尼茲的記法.萊布尼茲在他的研究中分別使用 formula_134 和 formula_135 來表示函式自變數和應變數。如果將函式記為formula_98的話，那麼在萊布尼茲的記法下，其導數記為：formula_139、formula_140、formula_141 或 formula_142這個記法最早出現在萊布尼茲1684年的論文中:204，萊布尼茲在之前的文章中會將 formula_110 記成 formula_144，把 formula_145 記成 formula_146。萊布尼茲記法的好處是明確了自變數和應變數。要注意的是記號formula_110是一個整體，formula_111也是，而formula_139可以看成一個整體，也可以不嚴謹地看成formula_111和formula_110的比值。此外，formula_139 表示的是導函式，在某一點 formula_153 的導數則記為：formula_154對於更高階的導數，萊布尼茲的記法是：formula_155、formula_156 或 formula_157這種記法是在1695年出現的:205。這裡的分子和分母不再具有單獨的意義。萊布尼茲的記法中使用 formula_158 來表示微分運算元，比如說二階的導數 formula_159 就可以看成：formula_160萊布尼茲記法的另一個好處是便於記憶導數計算的法則。例如鏈式法則應用萊布尼茲的記法就是：formula_161可以想象為右邊是兩個分式的乘積，消去formula_162之後就變成左邊。由於牛頓和萊布尼茲之間關於微積分創始人稱號的持久糾紛，在十八世紀早期的很長時間裡，英國數學界與歐洲大陸的數學界分別採用牛頓和萊布尼茲的記號，涇渭分明。這種情況直到十八世紀後期才開始改變，隨著拉格朗日記法的出現而變得多樣化起來:197-200。拉格朗日的記法.另一種現今常見的記法是十八世紀拉格朗日於1797年率先使用的，以在函式的右上角加上一短撇作為導數的記號。函式 formula_98 的導數就記作 formula_164 或 formula_165。二階和三階導數記為formula_166、formula_167 和 formula_100、formula_115:207。如果需要處理更高階的導數，則用括號內的求導階數n來代替短撇，記為：formula_170、formula_171。當十九世紀的數學家柯西處理微分學時，他認為萊布尼茲的記法“模糊不便”，而採用更為“緊湊”的記法，將 formula_139 記為formula_173。這種記法可說是拉格朗日記法的變種:218。後來這種記法曾繼續被精簡為formula_174。其它記法.十九世紀以前，儘管大部分數學家會選擇採用牛頓、萊布尼茲或拉格朗日的記號來表示導數，但也有很多的數學家希望使用自己的方法來記錄。在不同數學家的著作中可以看到各種主流記法的混合或變體。數學家之間關於什麼樣的記法最為簡便和嚴謹也是各執一詞。同時，由於函式的微分、導數、偏導數以及無窮小量等概念尚未成熟，記號的不統一更增加了數學家之間相互理解的難度:214-234。十九世紀初期的德國數學家馬爾丹·歐姆採用formula_175來表示導數，而同時期的雅可比則採用formula_176來表示偏導數。同時許多數學家採用formula_177、formula_178或 formula_179表示偏導數。用大寫字母formula_90表示導數從十八世紀末就開始。1800年，法國數學家路易斯·弗朗索瓦·安託內·阿伯加斯特使用formula_181表示函式 formula_1 的m階導數或全微分。而其後本傑明·佩爾斯也使用formula_183表示 formula_1 對 formula_16 的導數。而柯西也採用類似的記號，用formula_186表示函式 formula_1 對 formula_16 的m階偏導數。函式可導的條件.如果一個函式的定義域為全體實數，即函式在formula_189上都有定義，那麼該函式是不是在定義域上處處可導呢？答案是否定的。函式在定義域中一點可導需要一定的條件。首先，要使函式formula_1在一點可導，那麼函式一定要在這一點處連續。換言之，函式若在某點可導，則必然在該點處連續。這個結論來自於連續性的定義。證明：設函式formula_60上一點formula_2，函式在這一點可導，即formula_193存在，其中formula_194所以：formula_195即函式formula_100在formula_2處連續。:118符號函式是一個不連續的函式在斷點處不可導的例子：首先注意到這個函式在formula_198處不連續。作為驗證，可以求出函式在formula_199處附近的變化率，根據函式可導的條件再進行判斷：該函式在formula_198左側附近的變化率為：formula_201當formula_202時，上面的比值趨於正無窮大發散，不存在，故這個符號函式在formula_198處不可導。然而，連續性並不能保證可導性。即使函式在一點上連續，也不一定就在這一點可導。事實上，存在著在每一點都連續，但又在每一點都不可導的“病態函式”。1931年，斯特凡·巴拿赫甚至證明，事實上“絕大多數”的連續函式都屬於這種病態函式。在連續而不可導的函數里，一種常見的情況是，函式在某一點連續，並且可以定義它的左導數和右導數：\frac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x} :118:155右導數：formula_204:118:155然而左導數和右導數並不相等，因而函式在該處不可導。實際上，若函式導數存在，則必然可以推出左右導數相等，這是由極限的性質得來：formula_205下面以絕對值函式作為例子：該函式在formula_199處的左導數為：formula_207該函式在formula_199處的右導數為：formula_209絕對值函式在formula_199處的左右導數皆存在，但由於左右導數不相等，故絕對值函式在formula_199處不可導。:118-119如果函式在一點的左右導數都存在並且相等，那麼函式在該處可導。:155導數與函式的性質.透過認識可導函式的導數，可以推斷出不少函式本身的性質。單調性.根據微積分基本定理，對於可導的函式formula_1，有：formula_213如果函式的導函式在某一區間內恒大於零，在這類點上函式可能會取得極大值或極小值。進一步判斷則需要知道導函式在附近的符號。對於滿足 formula_214 的一點 formula_2，如果存在 formula_216 使得 formula_217 在區間formula_218 上都大於等於零，而在區間 formula_219 上都小於等於零，那麼 formula_2 是一個極大值點，反之則為極小值點:170。如果formula_221 並且 formula_166 在 formula_2 改變加減號，則稱這個點是拐點；否則這個點不是拐點。:200如果函式在 formula_2 處的二階導數 formula_225 存在，極值點也可以用它的正負性判斷。如果formula_227，那麼 formula_2 是一個極小值點，反之為極大值點:170-171。凹凸性.可導函式的凹凸性與其導數的單調性有關。如果函式的導函式在某個區間上單調遞增，那麼這個區間上函式是向下凸的，反之則是向上凸的。如果二階導函式存在，也可以用它的正負性判斷，如果在某個區間上 formula_229 恒大於零，則這個區間上函式是向下凸的，反之這個區間上函式是向上凸的:176-178。導數的計算.原則上，函式的導數可以透過考慮差商和計算其極限來從定義計算。在實踐中，一旦知道了一些簡單函式的導數，就可以使用從更簡單的函式獲得更復雜函式的導數的規則，來更容易地計算其他函式的導數。基本函式的導數.所謂基本函式是指一些形式簡單並且容易求出導數的函式。這些基本函式的導函式可以透過定義直接求出。formula_230其中formula_231是任意實數，那麼formula_232函式formula_1的定義域可以是整個實數域，但導函式的定義域則不一定與之相同。例如當 formula_234時：formula_235:119導函式的定義域只限所有正實數而不包括0。需要注意的是，不會有多項式函式的導數為formula_236。當 formula_237 時，常函式的導數是0。自然對數函式的導數則是 formula_243：formula_244:123 同樣的，一般的對數函式導數則還需要乘以一個係數：formula_245formula_246formula_247formula_248formula_249formula_250formula_251formula_252導數的求導法則.由基本函式的和、差、積、商或相互複合構成的函式的導函式則可以透過函式的求導法則來推導。基本的求導法則如下：formula_253 :121formula_255 :125formula_256 :126formula_259:128若要求某個函式在某一點的導數，可以先運用以上方法求出這個函式的導函式，再看導函式在這一點的值。例子.欲求函式formula_260在formula_261處的導數。可以先求出其導函式：formula_262其中第二項使用了複合函式的求導法則，而第三項則使用了乘積的求導法則。求出導函式後，再將formula_261代入，得到導數為：formula_264高階導數.二階導數.如果函式的導數formula_265在formula_266處可導，則稱formula_267為formula_266的二階導數。記做：formula_269，formula_270，formula_271或formula_272:132、二階導數可用於求解函式凹凸性問題。formula_273函式在x上凹。formula_274函式在x下凹。高階導數.二階導數的導數稱為三階導數，記做formula_275，formula_276，formula_277或formula_278三階導數的導數稱為四階導數，記做formula_279，formula_280，formula_281或formula_282一般的formula_275的formula_284階導數的導數稱為formula_275的formula_286階導數，記為formula_287，formula_288，formula_289或formula_290:133高階導數的求法.一般來說，高階導數的計算和導數一樣，可以按照定義逐步求出。同時，高階導數也有求導法則：因此，可以利用已知的高階導數求導法則，透過四則運算, 變數代換等方法，求出formula_294階導數。一些常見的有規律的高階導數的公式如下:133：formula_298formula_298多元函式的導數.向量值函式的導數.當函式 formula_115 的取值不再是實數，而是一般的formula_306中的向量時，仍然可能對其求導。這時的函式值是：formula_307。每個 formula_308 都是一個實數值的函式。具體的例子如二維或者三維空間裡的引數方程。因此，對 formula_98 求導實際上是對每個分量函式 formula_310 求導。formula_311:191這也符合定義formula_312設formula_313為formula_306的一組基，那麼對函式：formula_315其導函式為：formula_316偏導數.如果有函式 formula_1 其自變數不是單個實數，而是多於一個元素，例如：formula_318這時可以把其中一個元素看做引數，那麼 formula_1 可以看做是關於另一個元素的引數函式：formula_321也就是說，對於某個確定的 formula_16，函式 formula_323 就是一個關於 formula_115 的函式。在 formula_153 固定的情況下，可以計算這個函式 formula_323 關於 formula_115 的導數。formula_328這個表示式對於所有的 formula_15 都對。這種導數稱為偏導數，一般記作：formula_330這裡的符號 ∂ 是字母 formula_331 的圓體變體，一般讀作 formula_332 的首音節或讀“偏”，以便與 formula_331 區別。更一般地來說，一個多元函式 formula_334 在點 formula_335 處對 formula_336 的偏導數定義為：formula_337上面的極限中，除了 formula_336 外所有的自變元都是固定的，這就確定了一個一元函式：formula_339因此，按定義有：formula_340偏導數的實質仍然是一元函式的導數。:56多變數函式的一個重要的例子，是從formula_306對映到formula_344上的標量值函式 formula_334。在這種情況下，formula_1 關於每一個變數 formula_336 都有偏導數formula_348。在點 formula_349，這些偏導數定義了一個向量：formula_350。這個向量稱為 formula_1 在點 formula_352 的梯度。如果 formula_1 在定義域中的每一個點都是可微的，那麼梯度便是一個向量值函式 formula_354，它把點 formula_355 對映到向量 formula_356。這樣，梯度便決定了一個向量場。方向導數.方向導數是比偏導數更加廣泛的概念。導數的本質是函式值增量與自變數增量之比的極限。在多元函式 formula_1 中，可以選定一個確定的方向，並考慮函式在這個方向上的增量：formula_359這個增量為關於 formula_131 的一元函式。函式 formula_1 的方向導數定義為這個增量與 formula_131 的比值在 formula_131 趨於0時的極限，記為formula_364。formula_365方向導數表示了函式從某點開始在某個方向上的變化率。:55-56在formula_306中，如果將向量 formula_358 選為正規基 formula_368 之中的一個，如formula_369，那麼方向導數就是關於 formula_370 的偏導數。:55-56推廣.導數的概念建立在變數為實數之上，但也可以推廣到更加廣泛的意義上。推廣的導數本質上仍舊是函式在區域性一點上的線性逼近。復變數導數.對於變數為複數的函式，也可以定義導數的概念。假設有複變函式formula_371。如果 formula_1 在某一點 formula_373 及附近有定義，並且極限：formula_374存在，那麼就說函式 formula_1 在 formula_373 可導。其中 formula_377 表示 formula_378 的模長趨向於0。如果將復變數 formula_379 視作 formula_380，那麼 formula_1 可以視作一個formula_382上的函式。如果作為複變函式的 formula_1 可導，那麼作為formula_382上函式的 formula_1 的偏導數也存在，但反之則不然。只有當柯西-黎曼條件滿足的時候才能保證複變函式的復可導性。弱微分.在分佈理論裡，弱微分的概念使得對更多嚴格意義上無法求導的函式也可以定義導函式。設formula_386是一個區域性勒貝格可積的函式，稱formula_388是formula_386的一個弱微分，如果對所有的測試函式formula_390，都有：formula_391成立。其中測試函式是指緊支撐的光滑函式。弱微分包括了強微分，也就是通常意義上的導數。次導數.在凸分析，也就是對凸函式的研究中，可以定義凸函式的次導數。次導數的概念是導數的幾何意義的推廣。由於函式是凸的，過它的影象上每一點總可以作一條直線，使得函式的影象在直線上方。這種直線的斜率稱為函式在這點的次導數。如果函式在某點可導，那麼次導數只有一個，等於其導數。如果函式像絕對值函式一樣在零點有突然的轉折，那麼次導數可能不止一個。比如過零點而斜率在formula_392之間的直線都在絕對值函式下方，因此formula_392之間的每個數都是絕對值函式在零點的次導數。非整數階導數.早在十九世紀，在數學家明確了求導與積分的互逆關係以後，就出現了負階次導數的記號：formula_394:208。而非整數階導數的概念則進一步將其推廣。比如，半微分運算元formula_395表示其作用於函式上兩次以後的效果將等於一次求導：formula_396定義非整數階導數的方法不止一種，最常用的非整數階導數定義為黎曼-劉維爾定義：設formula_397，函式 formula_1 的s階積分為：formula_399而對formula_400，函式 formula_1 的formula_402階導數為：formula_403加託導數和弗雷歇導數.方向導數在無窮維向量空間如巴拿赫空間和弗雷歇空間上可以推廣為加託導數和弗雷歇導數。二者都經常用於形式化泛函導數的概念，常見於物理學，特別是量子場論。導子.微分代數中有導子的概念。導子是具備了微分運算元的某些特徵的運運算元，例如向量場的李導數，或非交換代數中的交換子。給定一個環或域 formula_344 上的一個代數 formula_405，formula_405 上的一個formula_344-導子 formula_332 是一個從 formula_405 射到自身的formula_344-線性對映，並滿足導數的乘積法則：formula_411所有formula_344-導子構成了 formula_405 上線性自同態集 formula_414 的子空間。導數的應用.物理學、幾何學、工程科學、經濟學等學科中的一些重要概念都可以用導數來表示。如，導數可以表示運動物體的瞬時速度和加速度，也可以表示曲線在一點的斜率。邊際和彈性.經濟學中，所謂邊際和彈性的概念與導數緊密相關。比如邊際成本就是產量增加一個單位所帶來的成本的增加，若將其連續化，得到的便是成本函式的導數。又如需求的彈性是指價格變化一個單位時，需求量的變化，連續化後相應的也是需求函式關於價格的導數。