從生活認識微積分(十一)導函數與微分

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這篇文章中將延續上文脈絡,先回顧某一定值的導數和可微分的定義,讓讀者發現x=n時的導數與某個給定的定值n已經形成函數關係;接著透過同一個人的不同裝扮與不同稱呼,以及不同語文中,對於同一件事物有不同的讀音和拼,來說明數學變換符號的意義。第三段將導數的符號作變換,表示導函數的概念與定義,最後總結導函數即是微分,以及重新回顧微分的意義。

一、回顧:導數和可微的定義

   在上篇文章中的結尾,我們透過物理實例引入了導數和可微分的定義,說明導數和可微分就是一般化的瞬時變化率概念。反過來說,我們現在已經成功想出導數的定義後,當導數中的函數f指的是位置,x=n指的是時間是n秒的時候,導數的定義就變成物理中第n秒的瞬時速度。

x=n時的導數和可微分的定義:
  已知有一函數y=f(x),(n、x屬於函數f之定義域),當x趨近於某一定值n時,應變數對自變數的變化率之極限,用數學符號表示如下:
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  若上述極限存在,就稱函數f在x=n處可微分,並可稱此極限值表示為「函數f微分後,在x=n時的值」,或稱為「函數f在(x=)n時的導數」(derivative of f at (x=)n)、「函數f在x=n時的瞬間變化率」(instantaneous rate of change of f at (x=)n)

   在上篇文章中有說明定義裡的兩個極限是相等的,僅是符號上的變化,我們稱之為在x=n處的導數此外,且有說明我們可以用不同數學符號來表示整個極限,但都是同樣的意思,為了排版方便,稍後我們皆使用f’(n)來代表極限值。現在換個角度想,每當決定一個數字n,只要定義中的極限存在,就能算出一個數字。

  當極限存在時,只要給定一個n,就能決定一個數f’(n),這已經形成函數關係,f’(n)是n的函數。我們曾用商品和標價牌做比喻,每樣商品下標有一個價錢,每看到一個商品,就能知道對應的一個價錢,所以價錢是商品的函數。

二、從生活實例來看數學中變化代號

  代號並不會影響整個數學式的含義,代號只是表達數學概念的一種方式;正如人可能因為工作職位、家庭角色而有不同的稱呼;我們也可將數學中的代號想成裝扮,人也能依照不同場合更改外表的裝扮,可能有時正式有時休閒,而人的裝扮也會隨著季節改變,這些裝扮符合時宜、場合,但這些裝扮並不會讓這個人個性大改

  同一樣物品、觀念,在不同語言中有不同的發音和寫法,但是這些不同的發音和寫法,確實都是表示同一樣事物。數學中的符號也是如此,符號統一通常是為了溝通方便、易於別人理解......等,但重要的是了解數學符號背後的含義與定義

   在這裡本文將要引進一個新的觀念。因為數學家發現:根據x=n時的導數的定義,x=n時導數的值f’(n)是由n決定,這已經形成函數關係。若希望將這個新觀察到的函數與原始函數y=f(x),畫在同一個x-y平面座標軸,我們就必須統一函數的應變數以及自變數代號。數學家為了方便觀察,將原始「某定值導數」定義中的極限代號,做了小改動:

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  在這個改動中,我們將n連帶f(n)分別改成x和f(x),因為現在n視為自變數,極限值的結果f’(n)視為應變數,要將代號統一才能做之後的比較,原本式子中的逼近於定值n的x要統一改為另一代號,避免與目前自變數x混淆,我們可以改為t, m, n, c等任意一個代號,只要不要與x重複就好了,且此處的Δx代表的是t-x不再是x-n。此外,請注意等式前兩個符號也因極限符號改寫,而做出改變。

   在這個式子中,我們仍需注意一點,自變數x在極限的運算中視為定值,t才是變數,這個逼近的關係來自於原始的x趨近於原始的定值n,並不會因為現在將n視為自變數後而改變此關係。這再次呼應到我們在開頭的說明,數學中的代號,並不會影響一個式子中要表達的數學含義、關係,正如一個人並不會換了衣服就性格大變一樣。此處變化代號的重要原因是,傳達出我們已經觀察到函數觀念,且稍後可以將這個新定義的函數和原始函數y=f(x)畫在同一個座標軸上做比較

   根據先前透過貓咪奔跑探討瞬時速度的概念,我們寫下數學極限的式子,而這個瞬時速度的式子去除物理意義後,變成函數上兩點斜率的極限,一點為定點(n, f(n))、另一點為動點(x, f(x))。現在我們進一步認識到,這個數學極限值f(n)可以視為應變數,每一個給定的值n則可是為自變數,所以將代號作變換,將定點變為(x, f(x))、另一動點改用代號(t, f(t)),這就是數學中導函數和微分的概念了。

三、導函數與微分

  經過以上變換代號的解釋後,我們理解變換導數代號的意義,是代表我們認知一個新的函數關係,而為了表明之前定義的「(某一個值的)導數」和「定值」間有函數關係,我們稱此函數為「導函數」,並在把上述思考過程,利用數學式子再重新表達一次。

導函數和微分的定義:
有一函數y=f(x),(x、t屬於函數f之定義域),當t趨近於某一定值x時,應變數對自變數的變化率之極限如下:
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若上述極限存在,極限的結果就是函數y=f(x)的導函數。
「導函數」與「微分」:
數學家將「求函數f(x)之導函數」的過程稱為「求函數f(x)對x作微分」,有時我們又將此過程稱為「求函數f(x)的微分」「對f(x)求導」「求f(x)的導數」,不論哪種稱呼指的都是上述極限的定義。

注:注意之前文章中給出的定義是「x=n時的導數」,換句話說是「某一個值下的導數值」,但本文為求文句通順未每次強調某一個值下的導數值,有時可能省略「x=n時的」導數,現在給出的數學定義才是「導數」,為求區別本文稱之為「導函數」。「導數」、「導函數」是一種「函數」的觀念,並不是指某個數值。

  y=f(x)之導函數(微分)可以用以下符號表示,每個符號的含義都相等:

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四、小結:反思「微分」的定義

  重新回顧這兩篇文章的思路,數學家先對瞬時變化率做一般化,用數學語言表達,寫成一個抽象的極限;而下文將這個極限重新認識,發現函數的概念,數學家稱之為導函數,故為求方便再次改寫極限中代號,將抽象極限改寫成常見的函數代號x,y作表達,最後再說明這個抽象極限的函數就是最基礎微分概念。

   生活中總是充滿變化,當這些變化能用數字表達時,數學家就能用兩個變數來代表變化量,當這兩個變數有函數關係,即「一個變數」能決定另「一個變數」時,且能發現大致規則時,就可考慮選用「數學函數」來描述某種這兩個變數間的「變化關係」。數學家成功找到一個「數學函數」描述兩變數的關係後,這兩個變數的「變化率」,就可以用函數中「自變數」和「應變數」的關係式表達出來。表達出變化率後,經過思考加上「極限」趨近的含義,就能找出某一瞬間的瞬間變化率,稱之為在某一定值時的「導數」,而將某一定值時的「導數」視為一個函數,找出把「每一個瞬間」對應到「瞬間變化率」的函數,這個過程就是「微分」。

   所以「微分」就是一個函數,將一樣事物的「每個瞬間」對應到正確的「變化率」。這個變化率、事物的主題,都可以依我們個人使用而定,也因此微分概念在現代社會中,已經應用到各個領域裡,不論是社會領域中的經濟,或是所有的自然科學、工程學當中都可見微分的影子。

   我們已經對初等微積分中的微分概念作充分探討,日後將詳細敘述其他極限和微分的規則定理與介紹積分概念。

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感謝貴文詳實的介紹,使人收穫良多。但個人有一疑問請教:在四、小結中提到“...將某一定值時的「導數」視為一個函數,找出把「每一個瞬間」對應到「瞬間變化率」的函數,這個過程就是「微分」。... ”。依個人對導(函)數的了解,如果某函數f之方程已知且可微,其圖上適用任一點之導函數f'只有一個,差別只在所選擇的某一定值以及根據此導函數f'之方程所得出之f'(x)不同。例如f函數方程:f(x) =x^2 + x,則其導函數方程為:f'(x) = 2x + 1,代入任何定義域中的x值都是根據f'(x) = 2x + 1的函數關係來得到其f'(x)值。但上文中所提“將某一定值時的「導數」視為一個函數”似乎易使人誤解導數與x之函數關係會隨x值變化,亦即不同x值會有它各自的導函數。故此建議能有其它的表述方式,如「一函數f存在唯一之導函數f',函數中定義域中的數值皆根據此f'之函數關係求得其對應之f'(x)值」。以上建議如有誤謬尚祈指教更正,不勝感激。
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Caspar的沙龍
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由於學校上課時間有限,老師礙於進度壓力,時常無法慢慢一步步地帶領學生思考和理解數學中的觀念,而是倉促講解完概念後,開始進入計算解題。然而數學不單是計算而已,數學真正的精髓卻是在於背後觀念中,邏輯的推演與歸納。也因此期盼透過本專題的數學科普文,能幫助讀者看見數學的美,並提升讀者的思考、推理邏輯能力。
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