导数与微分的matlab求解

7.1
导数概念
1.导数的定义
设函数 在点 的某个邻域内有定义，当自变量 在 处取得增量 （假设点 仍在该邻域内）时，相应的函数取得增量 ；如果 与 之比当 时的极 限存在，则称函数 在点 处可导，并称这个极限为函数 在点 处的导数，记为 ，即 也可记作 或 。 即可得到导函数的定义式 的定义，导数
图
函数导数的图形直观表示
2.隐函数的导数
方程 表示一个函数，因为当自变量 在 内取值时，变量 有确定的值 与之对应。例如，当 时， ；当 时， ，等等，这样的函数称为隐函数。 一般的，如果变量 和 满足一个方程 ，在一定条件下，当 取某区间内的任一 值时，相应的总有满足这方程的唯一的 值存在，那么就说方程 在该区间内确定了一 个隐函数。 隐函数求导的一般采用如下步骤： 方程两边同时对 求导，这里应注意 ；
曲率推导示意图
对于直线来说，切线与直线本身重合，当点沿直线移动时，切线的倾角 不变， ，从而 。这就是说，直线上任意点 处的曲率都等于零，这与我 们直觉认识到的“直线不弯曲”一致。 对于半径为 的圆，其上点 、 处的切线所夹的角 等于中心角 （ 为圆心） ，又 ，于是
从而 ，即圆上各点处的曲率都等于半径 的倒数 ，这就是说，圆的弯曲程 度到处一样，且半径越小曲率越大，即圆弯曲得越厉害。 下面不加证明地给出曲线 上任意点的实际计算曲率的公式，如下：
y B
C A aO ξ ξ b x
拉格朗日中值定理图形直观表示
3.柯西中值定理
前面已经指出，如果连续曲线弧 上除端点外处处具有不垂直于横轴的切线，那么这 段弧上至少有一点 ，使曲线在点 处的切线平行于弦 。设 由参数方程
表示，如图所示。其中 为参数，那么曲线上点 弦 的斜率为 假定点 对应于参数
处的切线的斜率为
图
弧微分求解示意图
2.曲率及其计算公式
在实际中，我们通常使用曲率来描述曲线的弯曲程度。 设曲线 是光滑的，在曲线 上选定一点 作为度量弧 的基点。设曲线上点 对应 于弧 ，在点 处切线的倾角为 （这里假定曲线 所在的平面上已设定了 坐标系）， 曲线上另外一点 对应于弧 ，在点 处切线的倾角为 ，如图所示，那么，弧段 的长度为 ，当动点从 移动到 时切线转过的角度为 。 我们用比值 ，即单位弧段上切线转过的角度的大小来表达弧段 的平均弯曲程度 ，把该比值叫做弧段 的平均曲率，并记作 ，即 当 ，即 时（即 时），上述平均曲率的极限叫做曲线 在点 处的曲率，记作
第7章 导数与微分的MATLAB求解
编者
Outline

7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 7.10 7.11 7.12
导数概念 导数的MATLAB符号求解 函数的微分 微分中值定理 洛必达法则 泰勒公式 函数的单调性与曲线的凹凸性 函数的极值与最值 曲线的渐近线 曲率 方程的近似解 导数的数值求解

，其中 为曲线
为常数，则 的垂直
斜渐近线：如果
成立，则称
是曲线
的斜渐近线，
可以证明：
7.10 曲率
1.弧微分
函数 在区间 内具有连续导数。在曲线 上取固定点 作为度量弧长 的基点（如图所示），并规定依 增大的方向作为曲线的正向。对曲线上任一点 ，规 定有向弧段 的值 （简称为弧 ）如下： 的绝对值等于这弧段的长度，当有向弧段 的方向与曲线的正向一致时 ，相反时 。显然，弧 与 存在函数关系 ，而且 为 的单调增加函数。而且我们可以求得 这就是弧微分公式。
若曲线由参数方程
给出，则可利用参数方程所确定t ) (t ) (t ) (t )
2 2 2 (t ) (t ) 3
3.曲率圆与曲率半径
设曲线 在点 处的曲率为 ，在点 处的曲线的法线上，在凹的一侧取 一点 ，使 ，以 为圆心， 为半径作圆，如图1所示，这个圆叫做曲线在点 处的曲率圆，曲率圆的圆心 叫做曲线在点 处的曲率中心，曲率圆的半径 叫做曲线在 点 处的曲率半径。
将上面导数的定义式中的 换为 根据函数 在点 处的导数
是一个极限，而极限存在的充分必要条件是左、右极限都存在且相等，因此 存在即 点 处可导的充分必要条件是左、右极限 及 都存在且相等。这两个极限分别称为函数 在点 处的左导数和右导数，记作 ，即 现在可以说，函数 且相等。 在点 处可导的充分必要条件是左导数 和右导数
，那么曲线上点
处的切线平行于弦
，可表示为
柯西中值定理图形直观表示
7.5
如果当
洛必达法则
时，两个函数 与 都区域零或趋于无穷大，那么极限
1. 型洛必达法则
可能存在，也可能不存在。通常把这种极限叫做未定式，并分别简记为 式极限我们通常使用洛必达法（L'Hospital）则求解，本小节先介绍 型未定式的求解方法。 这里不加证明的给出如下两个定理： 设函数 与 满足： 当 时，函数 与 都趋于无穷大； 在点 的某去心邻域内， 与 都存在且 存在（或为无穷大），
在经过点
时，曲
7.8
设函数
函数的极值与最值
在点 的某邻域 内有定义，如果对于去心邻域 内的任一 ，有
1.函数的极值及其求法
那么就称 是函数 的一个极大值（或极小值）。 函数的极大值与极小值统称为函数的极值，使函数取得极值的点称为极值点。下面给 出可导函数取得极值的必要条件和充分条件： 必要条件：设函数 在点 处可导，且在 处取得极值，那么 。 第一充分条件：设函数 在点 处连续，且在 的某去心邻域 内可导， 若 时， ，而在 时， ，则 在点 处取得极大值； 若 时， ，而在 时， ，则 在点 处取得极小值； 若 时， 的符号保持不变，则 在 处没有极值。 第二充分条件：设函数 在点 处具有二阶导数，且 ， ，那么 当 时，函数 在 处取得极大值； 当 时，函数 在 处取得极小值。
那么称
在 上的图形是（向上）凹的（或凹弧）；如果恒有
那么称
在
上的图形是（向上）凸的（或凸弧）。
如果函数 在区间 内具有二阶导数，那么可以利用二阶导数的符号来判定曲线的凹凸性，这就 是下面的曲线凹凸性的判定定理。这里仅就 为闭区间的情形来叙述曲线凹凸性的判定定理，当 不是 闭区间时，定理类同。
设 在区间 上连续，在 内具有一阶和二阶导数，那么 若在 内 ，则 在 上的图形是凹的； 若在 内 ，则 在 上的图形是凸的。 一般的，设 在区间 上连续， 是 的内点，如果曲线 线的凹凸性改变了，那么就称点 为曲线的拐点。
上连续，在 内可导，在 上任取两点 ，应用拉格朗
函数单调性的判定法
设函数 在 日中值定理，得到 由于 于是 即 表明函数 那么也有
，因此，如果在
内导数
保持正号，即
，那么也有
。
在 上单调增加。同理，如果在 。于是 ，即
内导数 ，表明函数
保持负号，即 ， 在 上单调减少。 内可导，

归纳以上讨论，即得以下定理：设函数 如果在 内 ，那么函数 在 如果在 内 ，那么函数 在

那么
7.6
泰勒公式
在含有 的某个开区间 内具有直到
泰勒（Taylor）中值定理：如果函数 阶的导数，则对任一 ，有
其中
这里 是 与 之间的某个值。 多项式 称为函数 按 的幂展开的 次泰勒多项式，上述公式称为 按 的幂展开的带有拉格朗日型余项的 阶泰勒公式，而 称为拉格 朗日型余项。
7.7
1
函数的单调性与曲线的凹凸性

或 。关于未定 和 时的
；
那么
2. 型洛必达法则
下面我们着重介绍 型的洛必达法则，事实上，这种形式的洛必达法则在实际中用的 较多，而且 型也可以由 型变换得到，关于该种类型的洛必达法则同样有以下两个定理： 设函数 与 满足： 当 时，函数 与 都趋于零； 在点 的某去心邻域内， 与 都存在且 ； 存在（或为无穷大），
在 上连续，在 上单调增加； 上单调减少。
2.曲线的凹凸性与拐点
我们从几何上可以看到，在有的曲线弧上，如果任取两点，则联结这两点间的弦总位于这两点间的 弧段的上方，而有的曲线弧，则正好相反。曲线的这种性质就是曲线的凹凸性。因此曲线的凹凸性可以 用联结曲线弧上任意两点的弦的中点与曲线弧上相应点（即具有相同横坐标的点）的位置关系来描述， 下面给出曲线凹凸性的定义。 设 在区间 上连续，如果对 上任意两点 ，恒有
2.微分的几何意义
在直角坐标系中，函数 个确定点 ，当自变量 图可知： 的图形是一条曲线。对于某一固定的 有微小增量 时，就得到曲线上另一点 值，曲线上有一 ，由
过点 即
作曲线的切线 。
，它的倾角为
，则
微分的几何意义
7.4
微分中值定理
在点 的某邻域 内有定义，
1. 罗尔定理
为更好地理解罗尔定理，先介绍费马引理：设函数 并且在 处可导，如果对任意的 ，有

整理求得
的表达式，即为隐函数的导数。 ，则 可以由如下递推公式求出：
3.由参数方程所确定的函数的导数
若已知参数方程
7.3
1
函数的微分
微分的定义
设函数 在某区间内有定义， 及 在该区间内，如果增量 可表示为 其中 是不依赖于 的常数，那么称函数 在点 是可微的，而 叫做函数 在点 相应于自变量增量 的微分，记作 ，即 下面讨论函数可微的条件。设函数 在点 可微，则由 两边同时除以 ，得 于是，当 时，由上式就可得到 因此，如果函数 在点 可微，则 在点 也一定可导（即 存在），且 反之，如果 在点 可导，即 存在，根据极限与无穷小的关系，上式可写成 其中 ，由此又有 因 ，且 不依赖于 ，故 所以函数 在点 也是可微的。 通常把自变量 的增量 称为自变量的微分，记作 ，即 。于是，函数 的微 分又可记作 从而有 ，这就是说，函数的微分 因此，导数也叫做“微商”。 与自变量的微分 之商等于该函数的导数。