以下笔记为个人学习“微分”时的笔记,比较啰嗦、凌乱,并且其中表述可能存在错误与不准确,个人观点、仅供参考。
一、因变量与自变量的比率:
试想有如下一个函数:\(f(x) = x^2 = y\),这里的函数名称是\(f\),自变量是\(x\),函数的计算结果命名为\(y\)、并称这个结果为因变量。
也就是说当自变量\(x\)发生变化的时候,整个函数式的结果、也就是因变量\(y\)会随之产生变化。换言之,\(y\)会随着\(x\)的变动而变动。
如果自变量\(x\)有了\(\Delta x\)的变动,因变量\(y\)则会联动的产生\(\Delta y\)的变动。此时我们想知道自变量的这个变动会致使因变量产生多大程度的变动、这种联动是以什么程度传递的:是线性的、还是放大的、又或者只会引起很小的扰动、还或者几乎不会导致扰动?
数学上可以用二者变化的比值权衡,也就是因变量受到自变量扰动的程度是\(k = \frac{\Delta y}{\Delta x}\)。这样如果\(k=1\)则意味着自变量的变化会线性影响因变量,如果\(k=100\)则意味着自变量的变动会导致因变量产生100倍的放大。
上面提到的\(k=1\)也好、\(k=100\)也好,都是具体的情况,现实并非这样具体的数值,以这篇文章最开始的\(f\)函数来看,它的因变量与自变量的比值计算结果是:
\(k = \frac{\Delta y}{\Delta x} = \frac{ f(x+\Delta x) – f(x)}{ \Delta x } = \frac{(x+ \Delta x)^2 – x^2}{\Delta x} = 2x + \Delta x\)这时可以看到对于函数\(f(x) = x^2\)而言,当它的自变量变化一点点、因变量会联动着变化一点点。二者的变化比率计算出来是\(k = 2x + \Delta x\),也就是因变量的联动量,是,自变量的扰动量,的两倍,多一丢丢。把那一丢丢忽略掉,简化的、大约地说,因变量的联动量是自变量扰动量的两倍。
自变量在哪里开始进行扰动呢?没准儿,自变量可以在数轴上任何一个地方开始做起始点,进行扰动。而自变量在不同的轴坐标点上的扰动,\(k\)的具体数值都会不同。所以在没有明确从哪点开始扰动时,\(k\)并不是准确的数值,它只是一个新的函数,要等\(x\)的起始点明确时、\(k\)的数值才能明确。
在\(x\)没有明确前,\(k\)是个函数,具体而言就是\(k(x) = 2x\)。
假设在\(x=50\)处,发生了\(0.001\)的扰动,因变量则会产生\(0.100001\)的联动,而因变量与自变量各自的变动量的比值\(\frac{\Delta y}{\Delta x} = \frac{0.100001}{0.001} = 100.001\),为100.001倍,将一丢丢忽略掉之后,就是100倍,这与 \(k(x) = 2x\) 当 \(x=50\) 时 \(k(50) = 100\) 是吻合的。
上面提到的在\(x\)没有明确前,\(k\)是一个函数式,这个函数称为“比率函数”。上面提到的当\(x\)明确时,\(k\)也就随之有了具体的数值,这个具体的\(k\)数值,称为“比率”。所以\(k\)是有两个不同的“阶段”的,比率函数阶段、比率数值阶段:
1、当处于比率函数阶段时,\(k\)是个函数,描述了原函数因变量与自变量的比值的关系;
2、当处于比率数值阶段时,\(k\)是个数值,描述了原函数因变量与自变量的比值;
上面两句话几乎完全一样,但是细细品味,第一句是个图像、第二句是个具体的数值结果。
二、微分系数,也就是导数名称的由来:
上面一直在用\(\Delta x\)和\(\Delta y\)表示很小,换种表示的方法,用\(dx\)和\(dy\)来表示,暂且认为只是表示形式上的替换,本质上没有差异。
事实上,这里应该是有着本质的差异的,前者是在表示“增量”,而者表示“极限增量”,前者更侧重于“增量的增”,后者侧重于“极限增量中的近乎于极限痕量”。甚至还有更深层的含义我尚未可知。但不重要,暂且认为二者没有区别,就是形式上的替换好了。
同时给这个\(\Delta\)或者替换之后的\(d\)符号一个名称,称它为“微”,很贴切,就是“微小的微”。
这样,\(\frac{\Delta y}{\Delta x}\)或者\(\frac{dy}{dx}\)就可以念出来了,念做“微y比微x”,或者“微y除以微x”。尤其对于\(\frac{dy}{dx}\)是分数形式的,所以这个整体上看就是“微分形式计算式”、简称“微分”。
前面已经计算过\(\frac{\Delta y}{\Delta x} = k(x)\),现在用微分形式替换,写成\(\frac{dy}{dx} = k(x)\),这其中的“比率函数”是前面商式的结果,做一些变换可以将这个“比率函数”看的更清楚一些:
\(\frac{dy}{dx} = k(x) => dy = k(x) dx\)这里的\(k(x)\)是“微y”前面的系数,更罗嗦地说它是“比例系数”,既然上面的式子已经改口叫“微分”了,那不妨将这个“比例系数”也改口称为“微分等式系数”,再简称为“微分系数”吧。可是即便将它简称为“微分系数”似乎还是有一些罗嗦的,这里再给它一个新的名称,称微分系数为“导数”。
显然,这一连串的重新命名可以原路啰里啰唆的说回去,“导数”就是之前提到的“比率”,所以和在用“比率”称呼它时是一样的,导数也是有两个阶段的:
导函数阶段,对应着上面提到的“比率函数”;导数阶段,对应着上面提到的“比率数值”阶段。但是通常不会区分导数和导函数,就都用“导数”来说,总之就是没有明确\(x\)启示数值时,导数是个“函数”,明确了\(x\)的数值时,导数就已经是一个明确的数值了。