偏微分方程概述 微分 微分-概述,微分-定义

微分,[Mathematics] differential; differentiation,是在解决直与曲的矛盾中产生的,微分是微积分学中除了导数之外的另一个基本概念。都是经济应用数学中的基础内容。在数学中,微分是对函数的局部变化率的一种线性描述。微分可以近似地描述当函数自变量的取值作足够小的改变时,函数的值是怎样改变的。比如,x的变化量△x趋于无穷小时,则记作微元dx。

微分_微分 -概述


微分

微分概念是在解决直与曲的矛盾中产生的,在微小局部可以用直线去近似替代曲线,它的直接应用就是函数的线性化。微分具有双重意义:它表示一个微小的量,同时又表示一种与求导密切相关的运算。微分是微分学转向积分学的一个关键概念。

微分的思想就是一个线性近似的观念,利用几何的语言就是在函数曲线的局部,用直线代替曲线,而线性函数总是比较容易进行数值计算的,因此就可以把线性函数的数值计算结果作为本来函数的数值近似值,这就是运用微分方法进行近似计算的基本思想。

微分_微分 -定义

设函数在某区间内有定义,x0及x0+△x在这区间内,若函数的增量可表示为


微分,其中A是不依赖于△x的常数,
微分是△x的高阶无穷小,则称函数
微分在点x0可微的。
微分叫做函数
微分在点x0相应于自变量增量△x的微分,记作dy,即:dy=
微分。微分dy是自变量改变量△x的线性函数,dy与△y的差
微分是关于△x的高阶无穷小量,我们把dy称作△y的线性主部。得出: 当△x→0时,△y≈dy。导数的记号为:
微分还可以表示两个微分的比值(把△x看成dx,即:定义自变量的增量等于自变量的微分),还可表示为:

微分得出:若函数在某区间上可导,则它在此区间上一定可微,反之亦成立。

微分_微分 -几何意义


几何意义

设Δx是曲线y = f(x)上的点M的在横坐标上的增量,Δy是曲线在点M对应Δx在纵坐标上的增量,dy是曲线在点M的切线对应Δx在纵坐标上的增量。当|Δx|很小时,|Δy-dy|比|Δy|要小得多(高阶无穷小),因此在点M附近,我们可以用切线段来近似代替曲线段。

微分_微分 -法则


微分

微分_微分 -基本公式


微分

微分_微分 -形式不变性


微分则复合函数
微分的微分为:
微分,由于
微分,因此我们可以把复合函数的微分写成
微分。不论u是自变量还是中间变量,
微分的微分dy总可以用
微分与du的乘积来表示,这一性质称为微分形式不变性。

微分_微分 -一元型

定义设函数y = f(x)在x0的邻域内有定义,x0及x0 + Δx在此区间内。如果函数的增量Δy = f(x0 + Δx) - f(x0)可表示为 Δy = AΔx + o(Δx)(其中A是不依赖于Δx的常数),而o(Δx)是比Δx高阶的无穷小(注:o读作奥密克戎,希腊字母)那么称函数f(x)在点x0是可微的,且AΔx称作函数在点x0相应于自变量增量Δx的微分,记作dy,即dy = AΔx。函数的微分是函数增量的主要部分,且是Δx的线性函数,故说函数的微分是函数增量的线性主部(△x→0)。通常把自变量x的增量 Δx称为自变量的微分,记作dx,即dx = Δx。于是函数y = f(x)的微分又可记作dy = f'(x)dx。函数的微分与自变量的微分之商等于该函数的导数。因此,导数也叫做微商。当自变量X改变为X+△X时,相应地函数值由f(X)改变为f(X+△X),如果存在一个与△X无关的常数A,使f(X+△X)-f(X)和A・△X之差是△X→0关于△X的高阶无穷小量,则称A・△X是f(X)在X的微分,记为dy,并称f(X)在X可微。一元微积分中,可微可导等价。记A・△X=dy,则dy=f′(X)dX。例如:d(sinX)=cosXdX。微分概念是在解决直与曲的矛盾中产生的,在微小局部可以用直线去
近似替代曲线,它的直接应用就是函数的线性化。微分具有双重意义:它表示一个微小的量,因此就可以把线性函数的数值计算结果作为本来函数的数值近似值,这就是运用微分方法进行近似计算的基本思想。推导设函数y = f(x)在某区间内有定义,x0及x0+△x在这区间内,若函数的增量Δy = f(x0 + Δx) ? f(x0)可表示为Δy = AΔx + o(Δx),其中A是不依赖于△x的常数, o(Δx)是△x的高阶无穷小,则称函数y = f(x)在点x0是可微的。 AΔx叫做函数在点x0相应于自变量增量△x的微分,记作dy,即:dy=AΔx。微分dy是自变量改变量△x的线性函数,dy与△y的差是关于△x的高阶无穷小量,我们把dy称作△y的线性主部。得出: 当△x→0时,△y≈dy。 导数的记号为:(dy)/(dx)=f′(X),我们可以发现,它不仅表示导数的记号,而且还可以表示两个微分的比值(把△x看成dx,即:定义自变量的增量等于自变量的微分),还可表示为dy=f′(X)dX。几何意义设Δx是曲线y = f(x)上的点M的在横坐标上的增量,Δy是曲线在点M对
应Δx在纵坐标上的增量,dy是曲 线在点M的切线对应Δx在纵坐标上的增量。当|Δx|很小时,|Δy-dy|比|Δx|要小得多(高阶无穷小),因此在点M附近,我们可以用切线段来近似代替曲线段。

微分_微分 -微分应用

法线
我们知道,曲线上一点的法线和那一点的切线互相垂直,微分可以求出切线的斜率,自然也可以求出法线的斜率。
假设函数y=f(x)的图象为曲线,且曲线上有一点(x1,y1),那么根据切线斜率的求法,就可以得出该点切线的斜率m:
m=dy/dx在(x1,y1)的值
所以该切线的方程式为:
y-y1=m(x-x1)
由于法线与切线互相垂直,法线的斜率为-1/m且它的方程式为:
y-y1=(-1/m)(x-x1)
增函数与减函数
微分是一个鉴别函数(在指定定义域内)为增函数或减函数的有效方法。
我们知道函数y=x^2-1(x>0)是增函数,我们用微分证明它:
∵y=x^2-1
∴dy/dx=2x
当x>0时,dy/dx>0,这说明dy/dx始终为正,所以函数y=x^2-1(x>0)是增函数。
再举一个例子,我们知道函数y=1/(x+1)(x>0)是减函数,我们用微分证明它:
∵y=1/(x+1)=(x+1)^(-1)
∴dy/dx=(-1)(x+1)^(-2)=-1/(x+1)^2
由于(x+1)^2>0,dy/dx<0,这说明dy/dx始终为负,所以函数y=1/(x+1)(x>0)是减函数。
变化的速率
微分在日常生活中的应用,就是求出非线性变化中某一时间点特定指标的变化。
比如说,有一个水箱正在加水,水箱里水的体积V(升)和时间t(秒)的关系为V=5-2/(t+1),
在t=3时,我们想知道此时水加入的速率,于是我们算出dV/dt=2/(t+1)^2,代入t=3后得出dV/dt=1/8。
所以我们可以得出在加水开始3秒时,水箱里的水的体积以每秒1/8升的速率增加。

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