微积分 · 导函数

导函数

导函数f′在每个x处的值,是函数f的图像在x处切线的斜率(在导数存在的点)。它的图像画在f的下方:在f′为正的区间上f单调递增,为负的区间上f单调递减;f在可导的极值点处f′ = 0。

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导函数与本页画面

函数 ff 的导函数(简称导数)记作 f′(x)f'(x)(也常写成 y′y' 或 dydx\frac{dy}{dx}):它在每个 xx 处的值,就是 ff 在这一点的导数,也就是图像在 xx 处切线的斜率。在切线斜率不存在的点,f′f' 没有定义。本页把 ff 和 f′f' 上下对齐画在同一个 xx 刻度上,共八个函数。

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

也常写成 f′(x0)=lim⁡Δx→0ΔyΔxf'(x_0) = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{\Delta y}{\Delta x},即 x0x_0 处的导数;让 x0x_0 变动,就得到导函数。本页的 aa 就是 x0x_0。蓝色的点 P 在 ff 上、横坐标为 aa,过它的是切线。切线下方的小三角形横向前进 1,所以竖直的升高就是切线的斜率。同一个有符号的数,按下方图像自己的刻度画成黄色竖条,顶端是点 (a,f′(a))(a, f'(a))。aa 变动时,这个点沿着导函数的图像移动;“描图”让它从左到右走一遍,把图像画出来。

两幅图之间的两行是导数的符号表:上一行是 ff 的增减(↗ 递增,↘ 递减),下一行是 f′f' 的符号(+ 或 −;f′=0f' = 0 的点写 0,f′f' 不存在的点写“不存在”)。

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值得注意

  • 在 f′>0f' > 0 的区间上 ff 单调递增,在 f′<0f' < 0 的区间上单调递减。反过来要弱一些:x3x^3 处处递增,却有 f′(0)=0f'(0) = 0。ff 在区间内部可导的极值点处 f′=0f' = 0;但 f′=0f' = 0 的点不一定是极值点(仍是 x3x^3 在 0 处),极值点也可能在 f′f' 不存在的地方,比如 ∣x∣|x| 的角点。
  • 在图像弯曲方向改变(拐点)且 f′′f'' 变号的地方,f′f' 取到极大值或极小值。sin⁡x\sin x 的拐点正对着 cos⁡x\cos x 的最高点和最低点,sin⁡x\sin x 在这里最陡。并不是每个拐点都这样:x3\sqrt[3]{x} 在 0 处是拐点,那里切线竖直,f′f' 没有值。
  • 下方图像表示的是斜率,不是 ff 的值:它在 xx 处的高度,说明 ff 在这里变化得多快。两幅图的纵轴刻度各自选定,以便完整画下。
  • 在 ∣x∣|x| 的角点处,f′f' 从 −1-1 跳到 11,f′(0)f'(0) 不存在。在 x2/3x^{2/3} 的尖点处,f′f' 从左侧趋于 −∞-\infty、从右侧趋于 +∞+\infty;在 x3\sqrt[3]{x} 的竖直切线处,两侧都趋于 +∞+\infty。这几个函数在 0 处都连续,却都不可导。
  • exe^x 的导数是它自己:下方图像和上方完全一样。
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操作

  • 拖动 P、f′f' 图像上的点,或在任一幅图上拖动,都可以移动 aa;也可以转动“位置”下的滚轮、按关键点。“描图”让 P 从最左端走到最右端,在下方画出 f′f',在极值点、拐点和不可导点各停一下,符号表里这一点的名字随之亮起;走完 P 停在最右端。“极值点与拐点”画出穿过 ff 的极值点和拐点的虚线,一直延伸到 f′f' 的图像,并在符号表里写出它们的名字。
  • “演示模式”打开适合投影的全屏视图(空格描图,← → 移动 aa,H 隐藏 f′f' 的图像;隐藏后只有 P 走过的地方才会画出来)。
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相关概念