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2.2-标量:链式法则.md

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2.2-标量:求导链式法则

一般来说,通过2.1章节导数的定义可以求出导数,但为了计算方便和快捷,我们通常需要知道基本的求导法则和常用公式。

函数的和、差、积、商求导法则

定理1 如果函数$u = u(x), v = v(x)$在点$x$处可导,则$u(x) \pm v(x)$, $Cu(x)(C是常数)$, $u(x)v(x)$, $\frac{u(x)}{v(x)}(当v(x) \neq 0)$都在点$x$处可导,并且:

$$(u(x) \pm v(x) )' = u'(x) + v'(x) \tag{2.2.1}$$ $$(Cu(x))' = Cu'(x)$$ $$(u(x)v(x))' = u'(x)v(x) + u(x)v'(x)$$ $$(\frac{u(x)}{v(x)})' = \frac{u'(x)v(x) - u(x)v'(x)}{v^2(x)}, 特别地\frac{1}{v(x)} = \frac{-v'(x)}{v^2}$$

复合函数求导:链式法则

根据导数的定义可以知道单个函数$f(x)$的求导方法,当$f(x)$更加复杂时(比如$f(x) = \frac{sinx}{x^2 + cosx}$),直接求导将变得困难。因此,我们希望能将一步复杂的函数拆分成多步简单的函数求导。

链式法则 告诉我们如何对一个复杂函数进行多步求导。假设我们有实数函数$z=g(y), y=f(x)$其中$f,g: \mathbb R \to \mathbb R$

$$x \overset{f}{\rightarrow} y \overset{g}{\rightarrow} z$$ 定理2 链式法则$$\frac{\partial z}{\partial x} = \frac{\partial z}{\partial y} \frac{\partial y}{\partial x} \tag{2.2.2}$$

结合公式(2.1.4),我们可以知道: $$x \to x + \Delta x \Rightarrow y \to \approx y + \frac{\partial y}{\partial x}\Delta x \tag{2.2.3}$$

$$y \to y + \Delta y \Rightarrow z \to z + \frac{\partial z}{\partial y}\Delta y$$

从公式(2.2.2)可以看出$x$的增量变化对$z$的影响:如果$x$增加$\Delta x$,$y$增加$\Delta y = \frac{\partial y}{\partial x} \Delta x$;进一步,$y$增加$\Delta y$,$z$增加$\Delta z = \frac{\partial z}{\partial y} \Delta y = \frac{\partial z}{\partial y} \frac{\partial y}{\partial x}$

举例 $z = e^{2x}$可以写成$z = e^y, y = 2x$,那么 $$\frac{\partial z}{\partial x} = \frac{\partial z}{\partial y} \frac{\partial y}{\partial x} = e^{2x} * 2= 2e^{2x}$$