第11讲:《导数的概念与基本性质》内容小结、课件与典型例题与练习

数学从对运动(如天文、航海问题等)的研究中引出了函数的概念,在那以后的二百年里,这个概念在几乎所有的工作中占中心位置,紧接着对运动、变化的研究,产生了微积分。微积分是继欧几里德几何之后,全部数学中的一个最大的创造。正如恩格斯指出的:“在一切理论成就中,未必再有什么像17世纪下半叶微积分的发明那样被看作人类精神的最高胜利了”.

微积分问题至少被十七世纪十几个最大的数学家和几十个小一些的数学家探索过。例如费马、布朗、笛卡尔等都对求曲线的切线以及曲线围成的面积问题有过深入的研究,并且得到了一些结果,但是他们都没有意识到它的重要性。在十七世纪的前三分之二,微积分的工作沉没在细节里,作用不大的细微末节的推理使他们筋疲力尽。而只有少数几个大数学家意识到了这个问题,也就是说这样下去不行,因此寻找其普遍的规律与研究方法,而这普遍的东西就是由牛顿(Newton)莱布尼兹(Leibniz)提供的,所以一般也称他们是微积分学的创始人。

微积分学是高等数学最基本、最重要的组成部分,是现代数学许多分支的基础,是人类认识客观世界、探索宇宙奥秘乃至人类自身的典型的数学模型之一.

微积分学分为微分学与积分学,其中研究导数、微分及其应用的部分称为微分学,研究不定积分、定积分及其应用的部分称为积分学.

一、变化率问题

一个量y关于另一个量x的变化率数学模型即为求y关于x的导数,导数为平均变化率的极限.
  • 速度为路程关于时间的变化率

  • 加速度为速度关于时间的变化率

  • 曲线切线的斜率为描述曲线的函数的函数值关于自变量的变化率

  • 人口增长率即为变化的人数关于时间的变化率

  • 角速度是转动的角度关于时间的变化率

  • 线密度是线段质量关于长度的变化率

….

二、导数的几种极限定义描述

当函数y=f(x)在x=x0处可导时,其导数及定义可描述为如下形式:
【注根据变量描述符号的无关性,其中的极限变量可以用其他符号描述.

三、注意以下两个描述形式的区别与应用:

如果已知条件中没有明确函数f(x)在x=x0处可导,则

先有极限存在,然后才有导数记号;由导数的极限定义判定导数的存在性并求函数在给定点的导数值。

如果已知函数f(x)在x=x0处可导,则

导数值等于极限值;因为导数存在,所以极限存在,从而由导数的存在性,借助极限式变形可以用来求其他极限式的极限。如

四、导数定义应用解题类型

(1) 抽象函数的导数的存在性和导函数的计算,分段函数分界点导数的存在性与导数的计算,一般使用导数的极限定义来判定与计算.

(2) 对于分段点两侧函数表达式不同的分段函数,还需要借助左右导数的极限定义来判定与计算.

(3) 如果一个题目中没有已知导数存在的条件,而需要使用导数的结论,则一般考虑应用导数的定义来判定导数的存在性和应用可导的结论来探索问题的求解思路.

(4) 在已知函数可导的情况下,极限式可以改写为导数定义描述,利用导数的存在性计算极限和判定极限的存在性.

五、区间上的导函数

  • 函数可以在开区间内任意一点可导,通常称函数在闭区间上可导,在闭区间的端点处仅仅是左端点存在右导数,右端点存在左导数. 

  • 函数可导,必须左右导数都存在并且相等

六、可导与连续的关系

  • 函数在一点可导,则函数在该点处一定连续;函数在某点处连续,函数在该点不一定可导!即可导必连续,连续不一定可导

  • 连续函数在定义域可以处处不可导,如魏尔斯特拉斯函数;函数也可以在定义域内仅仅只有一个可导点,如函数

【注】函数在一点的连续性与可导性与函数在该点邻域内的连续性与可导性没有任何关系,只要函数在该点的某个邻域内有定义即可.

七、函数在一点导数的几何意义与连续函数不可导的几何特征

1、函数在一点导数的几何意义

函数描述的曲线在该点的切线的斜率

2、连续函数不可导点的几何特征

尖点存在铅直切线的点

【注】尖点是左右导数不相等;存在铅直切线是因为极限值趋于无穷大。

八、几个最熟悉的基本初等函数的导数

以下五个函数在定义域内都可导,并且借助于极限定义式很容易计算得到它们的导函数结论. 以它们为基础,借助导数的运算法则可以推导得到其他初等函数的导数结果.
【注】Weierstrass的反例构造出来后,在数学界引起极大的震动,因为对于这类函数,传统的数学方法已无能为力,这使得经典数学陷入又一次危机. 但是反过来危机的产生又促使数学家们去思索新的方法对这类函数进行研究,从而促成了一门新的学科“分形几何”的产生.
所谓“分形”,就是指几何上的一种“形”,它的局部与整体按某种方式具有相似性. “形”的这种性质又称为“自相似性”. 如云彩的边界;山峰的轮廓;奇形怪状的海岸线;蜿蜒曲折的河流;材料的无规则裂缝,等等. 这些变化无穷的曲线,虽然处处连续,但可能处处不可导. “分形几何”自产生起,就得到了数学家们普遍的关注,很快就发展为一门有着广泛应用前景的新的学科. 这也促使人们在微积分研究中从依赖于直观转向理性思维,大大促进了微积分逻辑基础的创建工作.
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