微分法

微分法

在數學中,微分是對函式的局部變化率的一種線性描述。微分可以近似地描述當函式自變數的取值作足夠小的改變時,函式的值是怎樣改變的。當某些函式f的自變數x有一個微小的改變h時,函式的變化可以分解為兩個部分。一個部分是線性部分,另一部分是比h更高階的無窮小,這種表示方法成為微分法。

基本信息

簡介

微分法 微分法
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在古典的微積分學中,微分被定義為變化量的線性部分,在現代的定義中,微分被定義為將自變數的改變數 映射到變化量的線性部分的線性映射 。這個映射也被稱為切映射。給定的函式在一點的微分如果存在,就一定是唯一的。

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在數學中,微分是對函式的局部變化率的一種線性描 。微分可以近似地描述當函式自變數的取值作足夠小的改變時,函式的值是怎樣改變的。當某些函式 的自變數 有一個微小的改變 時,函式的變化可以分解為兩個部分。一個部分是線性部分:在一維情況下,它正比於自變數的變化量 ,可以表示成 和一個與 無關,只與函式 及 有關的量的乘積;在更廣泛的情況下,它是一個線性映射作用在 上的值。另一部分是比 更高階的無窮小,也就是說除以 後仍然會趨於零。當改變數很小時,第二部分可以忽略不計,函式的變化量約等於第一部分,也就是函式在 處的 微分,記作 或 。如果一個函式在某處具有以上的性質,就稱此函式在該點可微 。

不是所有的函式的變化量都可以分為以上提到的兩個部分。若函式在某一點無法做到可微,便稱函式在該點不可微。

定義

微分法定義如下:

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設函式 在某區間 內有定義。對於 內一點 ,當 變動到附近的 (也在此區間內)時,如果函式的增量 可表示為 (其中 是不依賴於 的常數),而 是比高階的無窮小,那么稱函式 在點 是可微的,且 稱作函式在點 相應於自變數增量 的微分,記作 ,即 , 是 的線性主部。

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通常把自變數 的增量 稱為自變數的微分,記作 ,即 。

圖1.微分法 圖1.微分法
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(函式在一點的微分,其中紅線部分是微分量 ,而加上灰線部分後是實際的改變數 。)

幾何意義

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設 是曲線 上的點 在橫坐標上的增量,是曲線在點 對應 在縱坐標上的增量, 是曲線在點 的切線對應 在縱坐標上的增量。當 很小時, 比 要小得多(高階無窮小),因此在點 附近,我們可以用切線段來近似代替曲線段 。

微分法則

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和求導一樣,微分有類似的法則,例如,如果設函式 、 可微,那么:

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1)

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2)

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3) ,

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4)若函式 可導,那么 。

微分法與微分形式

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如果說微分是導數的一種推廣,那么微分形式則是對於微分函式的再推廣。微分函式對每個點 給出一個近似描述函式性質的線性映射 ,而微分形式對區域 內的每一點給出一個從該點的切空間映射到值域的斜對稱形式: 。在坐標記法下,可以寫成:

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其中的是-射影運算元,也就是說將一個向量射到它的第個分量的映射。而是滿足:

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的 k-形式。

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特別地,當是一個從映射到的函式時,可以將寫作:

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正是上面公式的一個特例。

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