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。
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。
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。
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。
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 。
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。
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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