微分概念的产生是解决实际问题的需要.计算函数的增量是科学技术和工程中经常遇到的问题,有时由于函数比较复杂,计算增量往往感到困难,希望有一个比较简单的方法.对可导函数类我们有一个近似计算方法,那就是用微分近似代替函数的增量,从而使计算得以简化.
一、 引例
在许多实际问题中,要求研究当自变量发生微小改变时所引起的相应的函数值的改变.
引例241先看一个实例:一块边长为x的正方形金属薄片,面积为s=x2,由于温度的变化,金属薄片的边长由x0变化到x0+Δx,如图241所示,问其面积改变了多少?图241
解s(x)=x2,
Δs=s(x0+Δx)-s(x0)=(x0+Δx)2-(Δx)2
=2x0Δx+(Δx)2.
其中2x0Δx在图形中表示两块长条矩形部分的面积,(Δx)2表示右上角的小正方形的面积,当Δx→0时,(Δx)2是比Δx高阶的无穷小,即Δx很小时,(Δx)2可以忽略不计,则Δs≈2x0Δx,因为s′(x)=2x,所以Δs≈s′(x0)Δx.
二、 微分的定义及其几何意义
1. 微分的定义
定义241设函数y=f(x)在点x0及其附近有定义,自变量x在x0附近有增量Δx,如果相应的函数的增量Δy=f(x0+Δx)-f(x0)可表示为Δy=AΔx+o(Δx),其中A是不依赖于Δx的常量,o(Δx)是比Δx高阶的无穷小(Δx→0),那么称函数y=f(x)在点x0处是可微的,称A·Δx为y=f(x)在点x0处的微分,记为dyx=x0,即dyx=x0=AΔx.其中,A·Δx通常称为Δy=A·Δx+o(Δx)的线性主要部分.“线性”是因为A·Δx是Δx的一次函数,“主要”是因为另一项o(Δx)是比Δx更高阶的无穷小量,在等式中o(Δx)几乎不起作用,而是A·Δx起作用.
定理241函数f(x)在点x0可微的充要条件是函数f(x)在点x0可导,且A=f′(x0).注
意在f′(x0)≠0的条件下,以微分dy=f′(x0)Δx近似代替增量Δy时,其误差为o(Δx).在Δx很小时