导数能不能通过除法 dy/dx 的求出?

关于导数、微分,我们写过相当多的文章:

但仍然有很多可以讨论的话题,比如,导数能不能通过除法  求出?这个答案非常明确,不能!

那为什么这个问题还值得讨论?主要是由于在微积分发展历史上符号混乱,导致同学们产生了误解,并且误解还被不断的强化:

  • 导数定义的时候,使用的符号  虽然不是除法,但看上去像除法

  • 在微分定义中,使用的符号  确实又是除法

  • 在一些求导法则中,用除法来理解确实可以得到正确的结果,但必须指出这种理解方式是一种歪打正着,在本质上是错误的

下面逐一来解释。

1 导数

先从导数的定义说起。已知某曲线  以及  点:

如果想求该点导数的话,可以通过如下的极限式求出,并且在数学中一般用  或  来表示导数:   或  这两个符号有个问题,没有指明是对  求导(这点的重要性在本文后面计算链式法则时就可以看出),所以数学家又引入了如下的符号:  有时候为了写起来省事,上面符号又变为了: 就是这种写法开始让同学有点混淆了,以为导数是除法  的结果。其实上述符号的红色部分应该看作整体,然后和  一起(即等号的左侧)代表了右侧的极限式。所以这里是不可能拆分出  和  来,也就是导数不是由除法求出的。

2 微分

进一步的误解产生于微分的出现,本节就来解释下。如果将导数  当作斜率的话,就可以在  点求出用于近似曲线  的切线  (可以参考重新理解导数和微分):

该切线  的方程为:  在数学中因为种种原因(可以参考dx,dy是什么?),往往会在切点建立坐标系,横坐标记作  ,纵坐标记作  。此时符号就开始混淆了,其实这里的  、  和导数  毫无关系:

在  坐标系中,切线方程就非常简单了(其中  ,关于这点也可以参考dx,dy是什么?):  此时切线也被称为微分,并且可以推出:  在这里就产生了更大的混淆,仿佛导数  就是由  和  相除得到的。但要注意这里的逻辑顺序:

反过来是不成立的。也就是说不可能通过  和  相除求出导数  ,因为在两者相除之前  已经存在了。

3 导数和微分

综上,根据导数定义、微分定义分别可以得到:  两者看着非常相似,但从上面两节的分析可知,内涵完全不一样(下面的表格如果看不完整,请左右滑动查看): 但符号实在太接近了,造成了一定程度的混乱。

4 歪打正着

更深的误解来自于对求导法则的解读,本节会尽量去澄清这一点。

首先,我们要明确所有求导法则都是通过导数定义来推导的,比如下面这些常用法则。如果去翻看教科书会发现推导过程还是很复杂的:

  • 链式法则:

  • 反函数求导:

  • 参数方程求导:

我相信很多同学也发现了,上面这些法则似乎可以通过微分定义来理解,并且还更简单、更符合直觉。这种理解方式是一种歪打正着,本质上是错误的,下面通过链式法则来分析下为什么。

4.1 链式法则

通过微分定义来理解链式法则,就是认为  、  是两个微分之商,所以似乎可以像下面这样来推导处链式法则:  比对一下教科书就知道这个过程是错误的,应该通过导数定义来推导。退一万步来说,就算可以通过微分定义来推导,但分母中的  是  坐标系中的横坐标,分子中的  是  坐标系中的纵坐标,两者的代数式并不一样,是没法约掉的。

举一个具体的例子,比如有:  两函数复合为:  那么分母  是  坐标系的横坐标,因此:  而分子  是  坐标系中的纵坐标,因此:  分母  和分子  都被换到用  和  来表示,可以看出两者并不相等,所以是不可能约掉的。为了提醒自己,可以将链式法则写成导数形式:

很显然,右边的表达式看上去更复杂,所以有时候不得不用左边的表达式,尽管会带来一些混淆。

4.2 二阶链式法则

你说,我非要按照微分观点来理解链式法则,反正这样也容易记,结果也是正确的。当然可以这么做,只是到了二阶链式法则,这样做就走不通了,会发生错误。

来算算二阶链式法则: 到目前为止一切都很好,继续往下化简就会出问题。上面等式最后有两项,第一项按照微分观点可以得到:  这很显然是错误的,否则就会推出第二项  。

5 微分方程

那有没有运用微分定义的地方?有的,就是微分方程。比如: 这里大家知道就行了,不再赘述。

6 总结

导数是不能通过除法  求出的。但由于微分的出现,又使用了相同的符号,造成了同学们的混淆。所以大家在运用导数定义、微分定义的时候,需要谨慎一些。

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