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前置

一元导数作为数,以及它与线性映射 的对应,见 微分中值定理。可微蕴含连续、梯度、和积商与链式法则见 derivate。以下求导公式都按数 书写。

设 ,, 是内点, 在 可微,并且 是局部极值点。任取 ,令 。

映射 的导数是 。

记 ,。对任意 与 ,
,
故 。

链式法则给出 。

,。 是线性映射 ,,故 。derivate 第 3 节性质 3 的链式法则给出
,故 。
按 微分中值定理 的一元约定,这个线性映射对应的数是 。

是 的内点,也是局部极值点。由 Fermat 定理,。 任意,所以线性映射 。实值函数因此还有 。

derivate 第 3 节性质 2 的和、积、商法则写在闭区间上。下面在开集上使用它们时,对所考虑的点取含该点为内点的闭子区间。链式法则在一元情形下就是数的乘法:。

1. 常数

设 。则在 上 。

proof

对任意 与 ,差商 ,故极限为 。

2. 整数次幂函数

  1. 设 且 。则在 上 。
  2. 设 且 。则在 上 。
  3. 时 在 上为常数 ,导数为 。

proof(正整数次幂)

时,,故 。在 上把 记为常数 ,这就是 。

设 ,并且已经得到 。在任意闭区间上对 使用积法则:

proof( 与负整数次幂)

时, 是 上的常数,导数为 。

设 ,。在 的任意闭子区间上 ,商法则给出

3. 指数与对数

设 。

  1. 在 上 ,。
  2. 在 上 。若还有 ,则 。

这里 是 指数级数 定义的函数。、 与 的含义在证明里说明:它们与 实数次幂 的实数幂一致。

引理(加法公式). 对任意 ,乘法交换,故 ,见 banach代数上的指数。

引理(差商). 。并且 。

proof

由级数,,故

其绝对值不超过 。令 ,并用 ,得到

时右端趋于 。复差商同样展开:

绝对值仍不超过 ,故趋于 。

proof()

加法公式给出,对 ,

令 ,右端趋于 。

可微,由 derivate 的可微蕴含连续, 连续。再由级数, 时 。 时 ,而 是级数的常数项,故 。若 ,则 ,于是

所以 严格递增。又 时 , 时 。

是区间,因而是连通集,见 度量空间。连续像连通,见 连通空间。 的连通子集是区间,故 是区间。它含于 ,下确界为 且不取到 ,上确界为 ,所以值域是 。

记 为 的反函数。于是 ,,并且 。

引理(反函数的导数). 设 在 的某个开邻域上有定义,在 可微,且 。设 , 在含 的某个开区间上满足 与 ,并且 在 连续。则 。

proof

令 足够小,。若 ,则 ,与 矛盾,故 。并且 ,所以

在 连续,故 时 。分母趋于 ,因此足够小的 使分母不为 。极限为 。

proof()

先证明 连续。设 ,,,并令

时 ,故 有定义,并且 。当 时,。当 时,,因而 。所以 蕴含 。

在 处的导数是 。反函数导数引理给出

proof( 与 )

定义 。常数函数的导数为 ,积法则给出 。链式法则给出

时 ,两端都是 。

若 ,则 ,因为 严格递增且 。定义 。于是

并且

实数次幂的导数

设 ,。实数次幂 用有理数逼近定义 ,并证明了指数的连续性、、 以及 。

proof

先说明 。

对正整数 ,加法公式归纳得 。这与实数次幂在有理数幂阶段的整数次幂相同。,而 。负整数次幂由 与 对齐。

设 ,。则 。实数 说明非负 次根唯一,且满足 、 时 。这个根就是有理数幂 ,故 。对任意整数 , 给出 。因此有理数次幂也等于 。

对一般实数 ,取有理数列 。指数的连续性给出 。另一方面 ,因为 可微,由 derivate 的可微蕴含连续, 连续。二者的通项相等,故 。

常数的导数为 ,积法则给出 。链式法则给出

由 ,右端就是 。特别地,实数次幂 中以 为底的 就是上面定义的 。

4. 三角函数

与 按 正弦级数与余弦级数 定义。并令

定义域分别是分母不为零的点。

  1. 在 上 ,。
  2. 在 上 ,。
  3. 在 上 ,。

proof(正弦与余弦)

级数里 只含偶次幂, 只含奇次幂,所以 是偶函数, 是奇函数。Euler 公式 给出 。于是 。加法公式给出 ,展开得

再对 求差商。加法公式给出

时右端趋于 。 中的收敛按实部、虚部分别收敛,因为 。而

比较实部与虚部即得 、。由 derivate 的可微蕴含连续, 与 连续。

把 Euler 公式代入 ,比较实部与虚部得到

引理(和差化积). 对任意实数 ,令 ,。则

proof

由上面的加法公式与奇偶性,

于是

proof(正切、余切、正割、余割)

在 的点的闭邻域上使用商法则:

在 处,

把 分别除以 与 ,得到 与 。

5. 反三角函数

  1. 在 上 ,。
  2. 在 上 ,。

引理(单调连续函数的反函数连续). 设 是开区间, 连续且严格递增,并且 是开区间。则 连续。严格递减时同样成立。

proof

设 , 使 。严格递增给出 。取

若 且 ,则 。 严格递增,故 。

若 严格递减,则 。取 。 时 。 严格递减,故 。

引理. 在 上为正,,, 在 上为正,并且 。

proof

先确定余弦的第一个正零点。

记 ,并令 。则

时 ,所以从 起绝对值递减。余弦级数收敛,余项 的配对部分和是其余项部分和的子列。 时 ,故 ;而 、、……都 ,故 。于是 。而 ,故

。 可微,由 derivate 的可微蕴含连续, 连续。 连通,连续像连通,所以 是区间,并且同时含有 与负数,因而含有 。于是存在 使 。

令 。该集合非空且有下界 ,又含有 中的点,故 。,连续性给出某个 ,使得 时 。这段区间上没有零点,所以 。由下确界的定义,存在该集合中的点列趋于 ,连续性给出 。 在 上没有零点。若某个 使 ,则 是连通集,因而是区间,并且同时含有 与负数,因而含有 ,这与 上没有零点矛盾。故 于 。记 。于是 在 上为正,且 。

再看正弦在 上的符号。对 ,

其中 。从 这项起,相邻项的绝对值之比不超过 。正弦级数收敛,把 从第一项起两两配对,部分和是其余项部分和的子列,每一对都 ,故 。因此 。

对 ,取 使 。加法公式给出 。每次折半都落在 内,余弦为正,而最内层的正弦为正,故 。于是 。又 ,所以 ,即 。

,故 ,。加法公式与奇偶性给出

上正弦为正;若 ,则 ,。故 于 。

proof()

是偶函数,且 于 ,故 于 。

时,,,并且 ,。和差化积给出 。 在 上严格递增。 是奇函数,故 ,而 。

限制在 上,连续像连通,因而是区间;上下确界为 ,而 只在端点取到,故值域是 。

因此 是连续严格递增的双射。记其反函数为 。反函数连续,且 。反函数导数引理给出

,并且 ,所以 。这就得到 。

proof()

设 。则 ,,两处正弦都为正。和差化积给出 。 在 上严格递减,从 到 。限制在 上,连续像是区间 。记 为其反函数。反函数连续,且 ,故

其中开平方取正值,因为 于 。

proof()

在 上 。差化积的商形式是

时,,,分母为正,所以 严格递增。 在 上为正,,。对任意 ,由连续性可取 ,使 且 ,于是 。 严格递增,故 时 。因此 时 。

为奇函数, 为偶函数,故 。对同一个 ,。若 ,则 。因此 时 。连续像是区间,因而值域为 。记 为其反函数。反函数连续,故

proof()

在 上 ,并且

时右端为负,所以 严格递减。 是奇函数,故 。 连续,且 于 ,所以 时 。。对任意 ,由连续性可取 ,使 且 ,于是 。 严格递减,故 时 。因此 时 。

对任意 ,取 使 且 ,并令 。则 ,,故 。 时 ,所以 时 。连续像是区间,值域为 。记 为其反函数。反函数连续,故