微積分 · 導函數

導函數

導函數 f′ 在每個 x 給出 f 圖形的切線斜率,前提是該斜率存在。它的圖形畫在 f 下方:f′ 為正的區間內,f 遞增;f′ 為負時,f 遞減;f 可微分的峰頂或谷底,f′ 為 0。

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本頁中的導函數

ff 的導函數,記為 f′(x)f'(x)(也記為 y′y' 或 dydx\frac{dy}{dx}),將每個 xx 對應到 ff 在該處的導數:圖形在 xx 處的切線斜率。斜率不存在時,f′f' 就沒有值。本頁對八個函數,將 ff 與 f′f' 上下排列,使用相同的 xx 軸比例。

導函數
f′(x)=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)hf'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{f(x+h) - f(x)}{h}

也可記為 f′(x0)=lim⁡Δx→0ΔyΔxf'(x_0) = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{\Delta y}{\Delta x},表示 x0x_0 處的導數;讓 x0x_0 變動便得到導函數,本頁的 aa 就是 x0x_0。藍色 P 點位於 ff 的 x=ax = a 處,附有切線。切線下的小三角形水平位移為 1,因此高度變化就是切線斜率。同一個帶正負號的數,依下圖自己的比例畫成黃色線段,末端位於 (a,f′(a))(a, f'(a))。aa 移動時,該點沿著f′ 的圖形前進;描跡從左到右畫出它。

兩圖之間的兩列是正負號表:上列表示 ff 上升(↗)或下降(↘),下列顯示 f′f' 的正負號(+ 或 −;f′=0f' = 0 處標 0,f′f' 不存在處標「不存在」)。

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值得觀察的地方

  • 在 f′>0f' > 0 的區間內,ff 遞增;f′<0f' < 0 時則遞減。反向敘述較弱:x3x^3 處處遞增,但 f′(0)=0f'(0) = 0。若 ff 在區間內部的峰頂或谷底可微分,便有 f′=0f' = 0;但 f′=0f' = 0 不保證存在峰谷(例如 x3x^3 在 0 處),而峰谷也可能出現在 f′f' 不存在的地方,例如 ∣x∣|x| 的角點。
  • ff 改變彎曲方向(反曲點),且 f′′f'' 改變正負號時,f′f' 會有局部極大值或極小值。在 sin⁡x\sin x 上,反曲點位於 cos⁡x\cos x 的峰谷上方,也是 sin⁡x\sin x 最陡的地方。但不是每個反曲點都如此:x3\sqrt[3]{x} 在 0 處有反曲點,切線卻是鉛直的,f′f' 沒有值。
  • 下圖顯示斜率,而非 ff 的函數值:在 xx 的高度表示 ff 在該處變化得多快。兩圖各有自己的鉛直比例,以便完整顯示。
  • 在 ∣x∣|x| 的角點,f′f' 從 −1-1 跳到 11,且 f′(0)f'(0) 不存在。在 x2/3x^{2/3} 的尖點,f′f' 從左側趨近 −∞-\infty、右側趨近 +∞+\infty;在 x3\sqrt[3]{x} 的鉛直切線處,兩側都趨近 +∞+\infty。這些函數在 0 處都連續,卻不可微分。
  • exe^x 的導函數就是自己:下圖重現上圖。
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操作方式

  • 拖曳 P、f′f' 上的點,或任一圖上的任意位置,移動 aa;也可轉動點下的微調輪,或按關鍵點。描跡讓 P 從左端走到右端,在後方畫出 f′f',並在每個峰、谷、反曲點及沒有 f′f' 的點短暫停留,同時在正負號表中亮起名稱;P 最後留在右端。極值與反曲點畫出通過 ff 的峰、谷與反曲點的鉛直虛線,延伸至 f′f' 圖形,並在正負號表中標出名稱。
  • 簡報模式開啟適合投影機的全螢幕畫面(空白鍵描跡,← → 移動 aa,H 隱藏 f′f' 的圖形;之後只有 P 走過之處才會顯現)。
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