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高 等 数 学 · 第 二 章

导数的定义:
前六页的账,在这里一次结清

前六页一直在造工具。这一页第一次拿它去干活——而且干的是一件在极限被发明之前根本不合法的事。

第 1 幕

一个你天天说、却算不出来的量

仪表盘显示 60 km/h。这是这一瞬间的速度。

可速度的定义是 路程 ÷ 时间。要算"这一瞬间"的,时间就得取 0——

v = Δs / Δt = 0 / 0

取两个时刻能算平均速度;可"某一时刻"呢?
在极限被发明出来之前,"某一瞬间的速度"这句话在数学上是不合法的
它不是难算,是没有定义
牛顿和莱布尼茨真正干的事,就是把这句话变成合法的。
第 2 幕

只能退一步:先算一小段的平均

取一小段时间 Δt,算 Δs / Δt。这是平均速度,几何上就是那条割线的斜率

Δt 越小,这个平均值越贴近"那一瞬间"。拖动滑块,把 Δt 一路压向 0:

橙色是割线,绿色虚线是它正在逼近的那条

读数一路奔向 2,可 Δt 一旦真取 0,式子立刻变成 0/0 没法算。

这正是第一页那句话:到不了那个点,但可以从周围推断它。
六页之前造的那把锤子,第一次真正砸下去。
为什么不能直接令 Δt = 0,非要绕一圈说"极限"?
因为 Δt = 0 时分子分母同时是 0,那个式子根本不存在——不是等于某个数,是没有定义。
极限的全部作用就是:不进去,从周围推断中心。这句话你在第一页就见过了。
第 3 幕

把这个动作写下来,就是导数

f′(x₀) =
limΔx→0 f(x₀+Δx) − f(x₀) Δx
  • 分子 Δy 函数值的变化量 —— 一个无穷小
  • 分母 Δx 自变量的变化量 —— 另一个无穷小
  • 外面那个 lim 把这两个无穷小的比值,取极限

看清楚这三层,这个式子就不再是一串符号了。它在说一件很朴素的事:

导数 = 两个无穷小之比的极限。
分子分母都在奔向 0,而它们的奔向一个确定的数——这个数就是导数。
还记得第四页那句话吗:"两个无穷小,比一比才知道谁快"
导数干的正是这件事——只不过这一次,比的是 Δy 和 Δx
第 4 幕

前六页的账,在这里一次结清

这个定义看着简单,其实前面六页每一页都埋在里面。逐条对一遍:

前六页不是六个孤立知识点。
它们是同一件工具的六个零件,装到这里,第一次转起来。
如果 Δy / Δx 的极限是 ,那这一点算可导吗?
不可导。第三页的规矩还管着:lim = ∞ 意味着极限不存在,导数当然也就不存在。
几何上这时切线是竖直的(斜率无意义)——作业第 4 题就是这种。
第 5 幕

又是那两队人马:尖点为什么不可导

f(x) = |x|x = 0 处。它连续——笔不用抬。但是:

从左边逼近,割线斜率恒为 −1;从右边逼近,恒为 +1

左边那队报回 −1,右边那队报回 +1。两个数不一样——

左导数 ≠ 右导数,所以不可导。
这是第一页那条判据在整套教材里的第二次真正出场。
一模一样的两队人马,只不过这次报的是变化率
第 6 幕

崩坏测试:可导比连续更苛刻

两个概念的强弱关系,一句话说清:

可导 ⇒ 连续。反过来不成立

下面三张图,都是"连续但不可导"或"根本谈不上可导"的样本:

尖点
连续,但左右斜率不一样
竖直切线
连续,但比值奔向 ∞
跳跃
连都不连,更别谈可导
用一句话记住这两个概念的差别:
连续是"笔不抬";可导是"笔不抬,而且不许拐急弯"。
"可导 ⇒ 连续"要怎么想?给一个一句话的思路。
Δy 拆成 (Δy/Δx) · Δx
可导意味着括号里那个奔向一个有限的数 A,而 Δx 本身是无穷小——
有限数 × 无穷小 = 无穷小(第三页第 ③ 条脾气),所以 Δy → 0,这正是连续的定义。
第 7 幕

顺手纠一个中学留下的错

中学说:切线就是"和曲线只交于一点"的直线。这句话是错的,而且错得很有代表性。

y = x³ 在原点的切线是 x 轴——可它还穿过曲线
反例一 y = x³ 在原点:切线(x 轴)不但碰到曲线,还穿了过去
反例二 一条竖直线和抛物线也只交一点,可它根本不是切线。
正确的定义只有一个:切线是割线的极限位置
——也就是你在第 2 幕亲手拖出来的那条线。
"只交一点"是长相,"割线的极限"是机制
中学教长相,大学教机制——这一节的分界线就在这儿。
圆的切线确实"只碰一点"。那为什么这个说法用到一般曲线上就不行了?
因为圆太规矩,"只碰一点"在圆上恰好和"割线的极限"重合,于是被误当成了定义。
换成 y = x³,两者立刻分家:切线穿过了曲线。
在一个特例上成立的描述,不能当定义用——这件事本身,比切线更值得记住。
第 8 幕

整节话,就这两行

导数 = 两个无穷小之比的极限
左右两侧报回同一个数,才叫可导。

它有两张脸,是同一个极限的两种读法:物理上是瞬时变化率,几何上是切线斜率。

今 天 的 任 务

八道,全部用定义

前五道不许用求导公式——这一页要练的就是那个极限式子本身。写出完整的 lim,别跳步。

  1. 用定义求 f(x) = x²x = 1 处的导数和第 2 幕那个滑块核一下,答案应该是同一个数
  2. 用定义求 f(x) = 1/xx = 2 处的导数通分之后再约,别急着代 0
  3. ⚠️ f(x) = |x|x = 0:分别求左导数和右导数两个都要写出极限式。写完自己判可不可导
  4. ⚠️ f(x) = x1/3x = 0:算那个极限,说说发生了什么算出来的东西不是一个数。它意味着什么?画一下图
  5. 用定义 + 第五页的 lim sin x / x = 1,求 (sin x)′提示:先用和差化积把分子拆开。这题是那笔账的最终结算
  6. ⚠️ 判断:fx₀ 连续,就一定可导吗?举反例反例不止一个。至少给出两种长得不一样的
  7. ⚠️ 判断:fx₀ 可导,就一定连续吗?写出思路把 Δy 拆成 (Δy/Δx)·Δx,然后用第三页那条脾气
  8. 一辆车 s(t) = t³ − 3t(米、秒)。求 t = 2 时的瞬时速度;再问 t 取何值时速度为 0第二问就是下一节的全部内容——你已经能做了
第 6、7 两题是一对,方向相反,千万别只做一道
能同时说清"连续不一定可导"和"可导一定连续"的人,才算真的分得开这两个概念——这两个概念混在一起,后面整章都会晃。
对完答案,每道错题旁只写一句:
我是没写成极限式就代数忘了检查左右两侧把可导和连续搞反了,还是纯算错
做 完 之 后