複合函式求導法則

鏈式法則(英文chain rule)是微積分中的求導法則,用以求一個複合函式導數。所謂的複合函式,是指以一個函式作為另一個函式的自變數。如設f(x)=3x,g(x)=3x+3,g(f(x))就是一個複合函式,並且g′(f(x))=9。要注意f(x)的自變數x與g(x)的自變數x之間並不等同。

鏈式法則(chain rule)

若h(a)=f[g(x)]

則h'(a)=f’[g(x)]g’(x)

鏈式法則用文字描述,就是“由兩個函式湊起來的複合函式,其導數等於里函式代入外函式的值之導數,乘以裡邊函式的導數。”

基本介紹

  • 外文名:chain rule
  • 適用領域範圍:微積分
  • 套用學科:數學
  • 中文名:鏈式法則
證明
證法一
f(x)在點x0可導的充要條件是在x0的某鄰域U(x0)內,存在一個在點x0連續的函式H(x),使f(x)-f(x0)=H(x)(x-x0)從而f'(x0)=H(x0)
證明:設f(x)在x0可導,令 H(x)=[f(x)-f(x0)]/(x-x0),x∈U'(x0)(x0去心鄰域);H(x)=f'(x0),x=x0
因lim(x->x0)H(x)=lim(x->x0)[f(x)-f(x0)]/(x-x0)=f'(x0)=H(x0)
所以H(x)在點x0連續,且f(x)-f(x0)=H(x)(x-x0),x∈U(x0)
反之,設存在H(x),x∈U(x0),它在點x0連續,且f(x)-f(x0)=H(x)(x-x0),x∈U(x0)
因存在極限lim(x->x0)H(x)=lim(x->x0)[f(x)-f(x0)]/(x-x0)=lim(x->x0)f'(x)=H(x0)
所以f(x)在點x0可導,且f'(x0)=H(x0)
設u=φ(x)在點u0可導,y=f(u)在點u0=φ(x0)可導,則複合函式F(x)=f(φ(x))在x0可導,且F'(x0)=f'(u0)φ'(x0)=f'(φ(x0))φ'(x0)
證明:由f(u)在u0可導,由引理必要性,存在一個在點u0連續的函式H(u),使f'(u0)=H(u0),且f(u)-f(u0)=H(u)(u-u0)
又由u=φ(x)在x0可導,同理存在一個在點x0連續函式G(x),使φ'(x0)=G(x0),且φ(x)-φ(x0)=G(x)(x-x0)
於是就有,f(φ(x))-f(φ(x0))=H(φ(x))(φ(x)-φ(x0))=H(φ(x))G(x)(x-x0)
因為φ,G在x0連續,H在u0=φ(x0)連續,因此H(φ(x))G(x)在x0連續,再由引理的充分性可知F(x)在x0可導,且
F'(x0)=f'(u0)φ'(x0)=f'(φ(x0))φ'(x0)
證法二:y=f(u)在點u可導,u=g(x)在點x可導,則複合函式y=f(g(x))在點x0可導,且dy/dx=(dy/du)*(du/dx)
證明:因為y=f(u)在u可導,則lim(Δu->0)Δy/Δu=f'(u)或Δy/Δu=f'(u)+α(lim(Δu->0)α=0)
當Δu≠0,用Δu乘等式兩邊得,Δy=f'(u)Δu+αΔu
但當Δu=0時,Δy=f(u+Δu)-f(u)=0,故上等式還是成立。
又因為Δx≠0,用Δx除以等式兩邊,且求Δx->0的極限,得
dy/dx=lim(Δx->0)Δy/Δx=lim(Δx->0)[f'(u)Δu+αΔu]/Δx=f'(u)lim(Δx->0)Δu/Δx+lim(Δx->0)αΔu/Δx
又g(x)在x處連續(因為它可導),故當Δx->0時,有Δu=g(x+Δx)-g(x)->0
則lim(Δx->0)α=0
最終有dy/dx=(dy/du)*(du/dx)
舉例
設f(x)=3x,g(x)=3x+3,求g(f(x))的導數
可令t=f(x)=3x
則g(f(x))的導數=g′(t)f(x)′=(3t+3)′×(3x)′=3×3=9
明確在計算步驟中是對哪個變數求導是複合函式求導的關鍵
如在上面步驟中求g′(t)也即g′(f(x))時的變數是t,也即f(x)

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