# 单变元微分学

# 定义

# 可微

设函数 ff 在某邻域 U(x0,δ)U(x_0, \delta) 内有定义,则若 AR\exists A \in \mathbb{R} (AA 是不依赖于 xx 的常数) 使得

f(x)=f(x0)+A(xx0)+o(xx0)f(x) = f(x_0) + A(x-x_0) + o(x-x_0)

xx0x \to x_0 时成立,则称 ffx0x_0可微 (differentiable), 并称 A(xx0)A(x-x_0)ffx0x_0 处的微分 (differential).

# 可导

设函数 ff 在某邻域 U(x0,δ)U(x_0, \delta) 内有定义,则若极限

limxx0f(x)f(x0)xx0f(x0)\lim_{x \to x_0} \frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0} \triangleq f'(x_0)

存在,则称 ffx0x_0可导 (derivable), 并称 f(x0)f'(x_0)ffx0x_0 处的导数 (derivative).

同一一元函数 ffx0x_0 处可微与可导等价。

# 常见函数的导数 & 微分

基础导数公式

(xt)=txt1(t0)(ax)=axlna(a>0,a1)(lnx)=1x(x^t)' = tx^{t-1} \quad (t \neq 0) \\ (a^x)' = a^x \ln a \quad (a>0,\, a \neq 1) \\ (\ln x)' = \frac{1}{x} \\

(sinx)=cosx(cosx)=sinx(tanx)=1cos2x(cotx)=1sin2x(\sin x)' = \cos x \\ (\cos x)' = -\sin x \\ (\tan x)' = \frac{1}{\cos ^2 x} \\ (\cot x)' = -\frac{1}{\sin ^2 x} \\

(arcsinx)=11x2(arccosx)=11x2(arctanx)=11+x2(arcctgx)=11+x2(\arcsin x)' = \frac{1}{\sqrt{1-x^2}} \\ (\arccos x)' = -\frac{1}{\sqrt{1-x^2}} \\ (\arctan x)' = \frac{1}{1+x^2}' \\ (\arcctg x)' = -\frac{1}{1+x^2}

高阶导数公式

(ax)(n)=axlnna(lnx)(n)=(1)n(n1)/2(n1)!xn(a^x)^{(n)} = a^x \ln^n a \\ (\ln x)^{(n)} = (-1)^{n(n-1)/2}(n-1)!x^{-n} \\

# 微分学基本定理

# Rolle 中值定理

f(x)f(x)[a,b][a,b] 上连续,且在 (a,b)(a,b) 内可导,且 f(a)=f(b)=0f(a) = f(b) = 0, 那么 ξ(a,b)\exists \xi \in (a,b) 使得

f(ξ)=0f'(\xi) = 0

该定理称为罗尔中值定理 (Rolle).

# Lagrange 中值定理

f(x)f(x)[a,b][a,b] 上连续,且在 (a,b)(a,b) 内可导,那么 ξ(a,b)\exists \xi \in (a,b) 使得

f(ξ)=f(b)f(a)baf'(\xi) = \frac{f(b) - f(a)}{b-a}

该定理称为拉格朗日中值定理 (Lagrange).

# 柯西 (Cauchy) 中值定理

f(x),g(x)f(x), g(x) 均在 [a,b][a,b] 上连续,在 (a,b)(a,b) 内可导,并且在 (a,b)(a,b) 上恒有 g(x)0g'(x) \neq 0. 则 ξ(a,b)\exists \xi \in (a,b) 满足

f(a)f(b)g(a)g(b)=f(ξ)g(ξ)\frac{f(a)-f(b)}{g(a)-g(b)} = \frac{f'(\xi)}{g'(\xi)}

# 皮亚诺 (Peano) 定理

f,g,hf,g,h[a,b][a,b] 上连续,在 (a,b)(a,b) 内可导,则存在 ξ(a,b)\xi \in (a,b) 满足

f(ξ)g(ξ)h(ξ)f(a)g(a)h(a)f(b)g(b)h(b)=0\left|\begin{matrix} f'(\xi) & g'(\xi) & h'(\xi) \\ f(a) & g(a) & h(a) \\ f(b) & g(b) & h(b) \\ \end{matrix}\right| = 0

在 Peano 定理中,取 h(x)1h(x) \equiv 1, 则皮亚诺定理退化为柯西定理;若取 g(x)x,h(x)1g(x) \equiv x, h(x) \equiv 1, 则皮亚诺定理退化为拉格朗日定理。

# 洛必达 (L'Hospital) 法则

f,gf, g 均在 (a,b)(a,b) 内可导,且若

limxa+f(x)=limxa+g(x)=0\lim_{x \to a+}f(x) = \lim_{x \to a+}g(x) = 0

则极限

limxa+f(x)g(x)=A\lim_{x\to a+} \frac{f(x)}{g(x)} = A

存在或为无穷,且满足

limxa+f(x)g(x)=limxa+f(x)g(x)\lim_{x\to a+} \frac{f(x)}{g(x)} = \lim_{x\to a+} \frac{f'(x)}{g'(x)}

几点需要注意:

  1. 极限 limxa+f(x)g(x)\lim_{x\to a+} \frac{f(x)}{g(x)} 不存在时不能使用洛必达法则。
  2. 极限中 xa+x \to a+ 的含义是单边导数即可。
  3. 对于 /\infty/\infty 型不定式,只需要假设分母为 \infty 即可,其余条件不变。
  4. 其余类型的不定式,需要向上述两类基本的不定式转换。

# 泰勒 (Taylor) 公式

# 泰勒多项式

ffx0x_0nn 阶可导,则 ffx0x_0 处的 nn泰勒多项式定义为

Pn(x)Pn(x;x0,f)f(x0)+k=1nf(k)(x0)k!(xx0)kP_n(x) \equiv P_n(x;x_0,f) \coloneqq f(x_0) + \sum_{k=1}^n \frac{f^{(k)}(x_0)}{k!}(x-x_0)^k

# 皮亚诺 (Peano) 余项

# 单变元积分学

会积就行。但是不会积啊(