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微分與四則運算 

        假設 f g x 的微分都存在,

i)    則對於任意實數 a, ba f + b gx 的微分存在,而且

( a f + b g)'(x) = a f '(x) + b g'(x

ii)   則 f g x 的微分存在,而且 ( f g)'(x) = f '(x) g(x) + f (x) g'(x

iii) 若 g'(x) 不為0,則x 的微分存在,而且

有了上面的法則,許多函數的微分就十分容易計算了。
 

例如:若要知道 h(x) = 2 x2 + 3 x 的微分,我們可以考慮 f (x) = x2, g(x) = 3 x。這兩個函數的微分分别是 f '(x)= 2 x, g'(x) = 3g(x) = 3 x 就是之前所提過的等速度運動,速率為 g'(x) = 3)。

由於

h(x) = 2 x2 + 3 x = (2 f + g)(x) = 2 f (x) + g(x)

因此,

h'(x) = ( 2 f + g)'(x) = 2 f '(x) + g'(x) = 4 x + 3

 

又如:若要知道 h(x) = x3 的微分,我們可以考慮 f (x) = x2, g(x) = x。因為

h(x) = x3 = x2 x = f (x) g(x)= ( f g)(x)

因此,

h'(x) = ( f g)'(x) = f '(x) g(x) + f (x) g'(x) = (2x) (x) + (x2)(1) = 2 x2 + x2 = 3 x2

如上例,用數學歸納法我們可以證得

f (x) = xn,其中 n 為正整數,則 f '(x) = n xn-1

 

        若 f (x) = xp,其中 p 為整數時又如何呢?

p = 0 時,f (x) = x0 = 1 為常數,表示無論 x 如何變化 f (x) 永遠是 1,不會增加也不會減少,所以 f '(x) = 0

p < 0 時,只要 ,我們可以將 f (x) = xp 視為兩個函數相除,分子為 1,分母為 xq,即 ,其中 q = – p > 0。則利用除法的微分公式,我們可以得到

因此,我們得到

f (x) = xp,其中 p 為整數,則 f '(x) = p xp-1

 

        函數的微分可以告訴我們函數的變化情形:概括地說,如果在某個區間函數的微分值均為正數,在該區間函數為遞增(輸入值 x 愈大,輸出值 f (x) 也愈大);如果在某個區間函數的微分值均為負數,在該區間函數為遞減(輸入值 x 愈大,輸出值 f (x) 愈小)。若在某個點函數的微分值為零,則表示函數在該點可能有局部的極大或極小值。


 

 


例如:f (x) = x2f '(x) = 2x

  1. x > 0f '(x) 大於 0,這表示 f (x) = x2 在右半平面會一直遞增。

  2. x < 0f '(x) 小於 0,這告訴我們 f (x) 在左半平面會一直遞減。

  3. x = 0f '(x) 等於 0

讓我們看一看,當 x < 0 時,f (x) 一直遞減,也就是隨著 x 值愈來愈大(愈來愈接近 0),f (x) 會愈來愈小,所以 f (0) 比左半平面的任何一個 f (x) 都小;再看看右半平面,f (x) 一直遞增,即 x 值愈大,f (x) 也愈大,所以對於所有大於 0xf (x) 都比 f (0) 大。由此可見,f (0) 是一個極小值,也是一個最小值。而微分學的典型應用即是 最大最小問題。

 

        如果我們從長為 30 吋且寬為 16 吋之薄紙板的四個角截去大小相等的正方形,並將各邊向上折疊以做成開口盒子。若要使盒子的體積為最大,應該如何截去四個角呢?

        若 x = 所截去正方形的邊長(以吋計),則我們從每一個角截去邊長為 x 的正方形所做出盒子的體積為 (30 – 2x )(16 – 2x)x = 480x – 92x2 + 4x3(立方公吋)。

因此我們得到一個盒子的體積函數 

V(x) = (30 – 2x )(16 – 2x)x = 480x – 92x2 + 4x3

因上式中的變數 x 代表長度而且紙板的寬為 16 吋,我們不可能截去邊長大於 8 吋的正方形,所以 x 必須滿足 。因此,這個問題便成了求在 [0, 8]中的 x 值使得 V(x) 為極大,由於

可知在 [0, 8]中使得 V '(x) = 0 x 只有

觀察下表:

我們得知當截去邊長為 吋的正方形時,盒子有最大的體積 立方吋。
 

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