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  • 04 解链式法则和乘积法则

    视频地址:https://www.bilibili.com/video/av10435213/

    我们现在上一章节中,学习了幂次函数求导法和正弦函数求导。并且使用图像法更加直观的理解了这些运算过程。

    当时想用这些求导公式在现实生活中运用,我们需要对这些公式进行混合、组合、调整。所以我们学习一下更复杂的组合函数如何求导。

    为了避免死记硬背,我们还是会使用一些像图像法这样更加直观的方式来理解这些公式。

    上面包括了最常见的三种函数组合求导方式。函数相加求导,函数相乘求导,和复合函数求导。

    了解了这三种求导方式,我们就能运用这三种公式将将一个复杂的组合一层一层的剥开,然后最终求得结果。

    加法法则相对简单,我们先从这个法则开始:

    现在我们将sin(x)和x²的函数曲线绘制出】那么,我们在坐标系中得到两个函数曲线,让后将每一个点上的值都相加我们会得到一个新的函数曲线就是f(x)=sin(x)+x²的函数曲线:

    我们先取一个函数中一个点的值比如0.5,我们得到f(0.5)=sin(0.5)+0.5²

    我们给x一个微小的变化值:dx那么df=d(sin(x))+d(x²)

    df/dx=d(sin(x))/dx+d(x²)/dx:

    由此我们可以清晰的看到求导的加法法则:

    不过乘积法则可不是是类似规律d(f(x)*g(x))≠(dg/dx)*(dh/dx)

    我们还是以sin(x)*x²为例子:

    这个新得到的乘积函数曲线就没法像相加那么直观的找到规律了。

    不过,面对两个数字相乘,在几何学上的意义正好是求矩形面积,使用这个方法,几何求解发也许能更加直观的理解乘积法则。

    我们想象一个矩形,他的一个边随着x的变化呈现出正弦函数的变化规则,另外一个边则呈现出二次幂方程的变化规则:

    我们可以看到,f(x)随着x值的变化而产生的变化,与这个矩形面积随着x值的变化而产生的变化值是一致的。

    不过,当x产生变化的时候到底发生了什么,好像还是不是很好理解。

    我们在旁边加上一个标尺,标出随着x的变化,矩形形状的变化也许能更加直观一些当,值发生变化时:

    总之随着x的增加,一个边像正弦函数一样,在1到-1之间来回摆动。另外一个边则快速的以自身平方的速度增加。

    那么当x的值产生一个微小的变化时,这个矩形的面积也随之产生了微小的变化:

    嗯,还是那个熟悉的味道。

    图中右侧横着的绿色方块它的宽度就是sin(x)的值。高度是x²随着x的变化而产生的变化,也就是d(x²)。这个方块的面积就是sin(x)*d(x²)

    图中右侧竖着的绿色方块它的宽高就是x²的值。高度是sin(x)随着x的变化而产生的变化,也就是d(sin(x))。这个方块的面积就是x²*d(sin(x))

    而最右侧的小方块则再一次的被忽略。

    那么总的面积变化就是sin(x)*d(x²)+x²*d(sin(x)),我们知道面积与f(x)是相等的则

    df=sin(x)*d(x²)+x²*d(sin(x))

    所以我们得到了乘积公式:

    现在再来看复合函数。

    我们拿f(x)=sin(x²)这个符合函数为例子。 

    这回之前的两种方式都无法直观的用在这个函数上了。

    将f(x)拆解一下。

    f(x)=g(h(x)) 

    h(x)=x²

    g(x)=sin(x)

    然后我们换一种可视化的方式来分析这个问题。

    第一条线代表的是x的变化。

    第二条线则是由对应的h(x)函数值。

    第三条线是对应的f(x)函数值。

    当x在原来的基础上产生了微小变化dx的时候。

    在第二条线上产生的变化dh=2x*dx

    这个变化再传导到第三条线,df=d(sin(h))=cos(h)*dh=cos(h)*2xdx=cos(x²)*2x*dx

    df/dx=cos(x²)*2x

    所以通过链式法则,我们看到,

    dg(h(x))/dx=dh(x)*d(g(h(x)))

    dg(h(x))/dx=(dg/dh)*(dh/dx)=dg/dx=dg/dx

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