反函数学习笔记(2)

一、什么要在后面进行证明?

这一章开始就有一句话是我始终无法理解的:“我们会在下一章证明这个事实”,这句话中的“这个事实”是什么呢?

二、“一种方法”我理解不了

如截图所示,书中给出的对“正弦函数的反函数”进行求导,提到了使用“一种方法”,这个方法我现在理解不了、头脑一片混乱。

书中给出的求解方法

在稍微往前一点的章节中,作者用到的也是如上形式相同的方法进行某个函数的反函数求导,都是“这种方法”,我理解不了的原因主要在于:

1、有些绕脑子,无法理解为什么x和y彼此对调一下就能直接使用了;2、它没有个更正式的名称么?

但是好在,我找到了“另一种方法”,更加容易理解。但是因为篇幅有限(使用LaTex在blog中排版实在太麻烦了,所以暂时就先做这样一个不伦不类的备忘,等到后期有时间了,再重新整理、补充上来吧)。

2.1、我似乎理解了作者的解法(update: 2024.10.09)

首先,作者使用的这个解法,正式的名称应该是“隐函数求导法”,具体的思路是:1、首先依据原函数,构建出它的反函数的“隐式形式”;2、然后不对“隐函数”进行整理、不得出它的“显式形式”;3、直接进行“隐函数求导”就可以了;4、最后再稍作整理,将其中的y值设法用x值表示出来。

我之所以无法理解它,主要是因为从原函数到反函数的变化过程、或者说反函数的定义过程,没有理解。例如:

原函数如果是:\(f(x)=y=sin(x)\),如果想对这个原函数\(f(x)\)的反函数求导,首先就是要找到、或者定义出它的反函数来,但是要怎么定义它的反函数呢?直接通过下面的方法构建出来隐函数方程,并且不进行简化就可以了:

原函数:\(y = sin(x)\)

反函数的隐式表达形式:\(x = sin(y)\)

这就是隐函数,虽然没有得出一个显式的表达式,但是直接用这个隐函数求导就可以了。作者的解法我虽然理解了,但还是绕脑子、吃不透、无法顿悟,痛苦中。我想我最大的困惑就是为什么只需要将x和y对调一下位置,就可以定义出反函数来了?

2.2、再次尝试理解反函数

原函数:\(y = sin(x)\),我换一种写法,将x写成“输入”、将y写成“输出”,看这样是否能够避开抽象的符号,让自己的头脑更清晰一些?

原函数:\(c_出 = sin(c_入)\),这个原始的函数的目的是:通过给定一个具体的输入值、经过某种映射关系,得到一个明确的输出值。

现在抛开x和y的想法,只是将上面的等式稍作调整、只是文字上的调整,调整成\(c_入 = sin(c_出)\),不用关心文字细节的变化,他们本质上还是喂入一个具体的输入数值、经过同样的映射、得到经过映射之后的输出数值。

此时对于调整后的关系式:既可以说它的自变量是\(c_出\),经过正弦映射得到计算结果。也可以说自变量是\(c_入\),经过某种未知未解的映射关系,得到的结果将是\(c_出\)。如果按照后面的说法来说,那么上面的关系式就变成了一个未解、待解的方程,需要求解出来,才能看出具体的映射关系来。

至此,如果不求解,那么上面的未解方程,就已经是一个隐式函数了;若能解出来,那么就是显式定义的函数。

2.3、适用于我自己的方法(其实这个方法也有个更准确的名称:基于反函数性质的求导法

上面的“对调x和y其实我还是一头雾水”,先这样吧。接下来记录一下自己比较能够理解的方法。但是自己用的这个方法似乎也存在缺陷,在“教材”后面专门提到过,似乎是要注意f(r(x))和r(f(x))两种不同的嵌套关系中,一种是错误的、一种是正确的;我还没有时间详细推敲我所使用的这个建议的推导过程,是否正中了教材中明确指出的错误。

提问:已知正弦函数\(f(x) = y = sin(x), x \in (0, \pi)\),求其反函数的导数。

解:

首先定义\(f(x)\)的反函数为\(r(x)\),欲求\(\frac{d}{dx}r(x)\)。这里之所以不使用\(f^{-1}(x)\)原因是相似符号太多眼睛容易花。

因为根据函数与反函数的特性,有\(f(r(x)) = x\)

所以有\(\frac{d}{dx}f(r(x)) = \frac{d}{dx}x\),左边链式展开、右边计算结果,进而得到:

\(\frac{d}{dr(x)}sin(r(x)) \frac{d}{dx}r(x) = 1\),继续推导,得到:

\(cos(r(x)) \frac{dr(x)}{dx} = 1\),整理后得到欲求反函数的导数表达式:\(r'(x) = \frac{1}{cos(r(x))}\)

因为:\(cos(r(x)) = \pm \sqrt{1-sin^2(r(x))}\),注意到\(sin(r(x))\)恰恰是\(f(r(x)) = x\),所以\(cos(r(x)) = \pm \sqrt{1-x^2}\),将这个结果带回推导过程中,最终得到:

\(r'(x) = \pm \frac{1}{\sqrt{1-x^2}}\)。之后只要再去判断一下符号的取舍就可以了。

三、高兴的找到了一处错误

在电子书中有一处错误,翻看手中的纸质图书,对比的确是个错误。应该是印刷批次比较老,手中的纸质版(同样是第二版、更后期的印刷版本)中已经进行了修订。

能够在学习的时候看出来书中的错误,这还是非常令人感到开心的。

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什么是“黑板粗体”

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