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§ 1。一阶导数
正如引言中所说,在这个章和接下来的内容中,我们将研究函数的无穷小属性,这些属性定义在实数域R的子集上,并在*Hausdorff拓扑向量空间* E超过域中获取它们的值 R;为了简洁起见,我们可以说这样的函数是一个实数变量*的 *向量函数。最重要的情况是其中 E=R(实变量的实值函数)。当E=Rn时,考虑E约化中的向量函数和值,同时考虑n有限实数函数。
许多定义以及章 I 扩展到函数中所述的属性是在域 C 复数的子集上定义的,并在拓扑中取它们的值向量空间超过C(复杂变量的向量函数)。其中一些定义和属性扩展甚至到函数是在任意交换*拓扑域* K的子集上定义的,并在K上的拓扑向量空间中取它们的值。
我们将在经过中指出这些推广(特别参见I,p. 10,*注2*),首先强调复变量的函数的情况,这是迄今为止最重要的,与实变量的函数一起,并将进行研究在后来的书中有更深入的阐述。
1. 向量函数的导数
令 f 为向量函数在间隔 I⊂R 上定义,该区间不将约化定义为单个点。我们说 f 在点 x0∈I if* 处可微
x→x0,x∈I,x=x0limx−x0f(x)−f(x0) *存在(在向量空间中,其中
f取其值);这个极限的值称为
f在点
x0的一阶导数(或简称导数),用
f′(x0)或
Df(x0)表示。
如果f在点x0可微,f的*限制*对于任何区间J⊂I也是可微的,但约化不可以微分到单个点,并且使得x0∈J;而这个限制的导数等于f′(x0)。反之,令J为x0相对于I的I和包含邻域所包含的区间;如果f到J的限制承认在点x0处的导数,那么f也是如此。
我们用说总结这些性质,即导数的概念是一个局部概念。
令 f 为向量函数,在区间 I⊂R 上定义,并令 x0 为 I 的点,使得区间 I∩[x0,+∞[(分别为 I∩]−∞,x0])不会约化至单个点。如果f的限制到区间I∩[x0,+∞[(或I∩]−∞,x0])在点可微,我们说f在右侧(或左侧)在点x0可微x0; 限制在点x0的导数的值称为f在点x0的右(或左)导数,并表示为fd′(x0)(或fg′(x0))。
令f为I上定义的向量函数,x0为I的内部点,使得f在点处连续;它来自 defs。 1 和 2 对于 f 在 x0 可微分,f 在此点承认右导数和左导数是必要且充分的,并且这些导数相等;然后
f′(x0)=fd′(x0)=fg′(x0).
仿射线性函数 x↦ax+b 在每个点处的导数等于 a。
实数函数1/x(为x=0定义)在每个点x0=0处是可微的,因为我们有(x1−x01)/(x−x0)=−xx01,并且由于1/x在x0处连续,因此前面表达式的极限为−1/x02。
在 R 上定义的标量函数 ∣x∣,在 x=0 具有右导数 +1 和左导数 −1;在这个点处不可微分。
实数函数对于x=0等于0,对于x=0等于xsin1/x,在R上定义且连续,但在点x=0处既没有右导数也没有左导数。*可以给出函数的例,它在函数上连续一个区间,并且无法在该区间的每点处求导数(I、p. 35,练习 2 和 3)。
引用了 1
引用了 § 1. 。一阶导数
我们说定义在区间I⊂R上的向量函数f在I上是可微的(分别是右可微、左可微),如果它在I的每个点是可微的(分别是右可微、左可微);在I上定义的函数x↦f′(x)(分别为x↦fd′(x)、x↦fg′(x)),称为派生的函数,或(滥用语言)f的导数(分别为右导数、左导数),并表示为f′或Df 或 df/dx(分别为 fd′,fg′)。
2. 微分线性度
在区间I⊂R上定义向量函数的集合,在给定拓扑向量空间E中取值,并在点x0可微,为向量空间超过 R,并且映射 f↦Df(x0) 是空间的线性映射变成 E。
在其他字中,如果f和g在I上定义并且在点x0可微,则f+g和fa(a任意标量)在x0可微,它们的导数为分别为f′(x0)+g′(x0)和f′(x0)a。这紧随x+y和xa分别在E×E和E上的连续性而来。
在区间I上定义向量函数的集合,在给定拓扑向量空间E中取值,并且在I上可微,向量空间超过R,并且映射f↦Df是空间的线性映射到映射的向量空间从I到E。
令E和F为R上的两个拓扑向量空间,以及u从E到F的连续线性映射。如果 f 是在区间 I⊂R 上定义的向量函数,在 E 中取值,并且在点 x0∈I 可微,则复合函数 u∘f 的导数等于u(f′(x0)) x0.
事实上,从x−x0u(f(x))−u(f(x0))=u(x−x0f(x)−f(x0))开始,这是u的连续性。
如果φ是E上的连续线性形式,则实数函数φ∘f在点x0处的导数等于φ(f′(x0))。
设f=(fi)1≤i≤n为函数,值在Rn中,定义在区间I⊂R上;每个实数函数fi都是复合函数pri∘f,因此如果f是可微的,则在点x0可微,如果是,则f′(x0)=(fi′(x0))1≤i≤n可微。
In Kinematics, if f(t) is the position of a moving point M at time t, if g(t) is the position at the same instant of the projection M′ of M onto a plane P (resp. a line D) with kernel a line (resp. a plane) not parallel to P (resp. D), then g is the composition of the projection u of R3 onto P (resp. D) and of f; since u is a (continuous) linear mapping one sees that the projection of the velocity of a moving point onto a plane (resp. a line) is equal to the velocity of the projection of the moving point onto the plane (resp. line).
令f为在区间I⊂R上定义的复值函数,并令a为任意复数;支柱。图 2 表明,如果 f 在点 x0 可微,那么af 也可微,并且该函数在 x0 的导数等于 af′(x0)。
3. 乘积的导数
现在让我们考虑R上的p拓扑向量空间Ei(1≤i≤p),以及连续多线性1映射(我们将表示为
(x1,x2,…,xp)↦[x1.x2…xp])
E1×E2×⋯×Ep 转换为R 上的拓扑向量空间 F。
对于每个指标 i (1≤i≤p) 令 fi 为函数,在区间 I⊂R 上定义,在 Ei 中取值,并在点 x0∈I 处可微。然后函数
引用了 1
引用了 A II § 3. 。 张量积
x↦[f1(x).f2(x)…fp(x)]
定义在 I 上,F 中的值的导数等于
i=1∑p[f1(x0)…fi−1(x0).fi′(x0).fi+1(x0)…fp(x0)]
在x0。
让我们把h(x)=[f1(x).f2(x)…fp(x)];那么,根据身份
[b1.b2…bp]−[a1.a2…ap]=i=1∑p[b1…bi−1.(bi−ai).ai+1…ap],
我们可以写
h(x)−h(x0)=i=1∑p[f1(x)…fi−1(x).(fi(x)−fi(x0)).fi+1(x0)…fp(x0)].
将两边同时乘以x−x01并让x在I中逼近x0,我们得到表达式(1),因为映射都
(x1,x2,…,xp)↦[x1.x2…xp]
F 中的加法是连续的。
1 回想一下(算法,II,p. 265),如果每个部分映射 E1×E2×⋯×Ep 的映射 f 进入 F 则被称为*多重线性*
xi↦f(a1,…,ai−1,xi,ai+1,…,ap)
从Ei到F(1≤i≤p)是一个*线性*映射,指标j=i的aj在Ej中是任意的。我们注,如果Ei在R上是*有限*维度,那么E1×E2×⋯×Ep到F中的每个多重线性映射必然是*连续的*;如果其中一些空间是无限维数的拓扑向量空间,则不必如此。
当函数fi中的一些为常数时,式(1)包含中的项其导数fi′(x0)为零。
让我们详细考虑应用中最重要的特殊情况p=2:如果(x,y)↦[x.y]是E×F到G的连续双线性映射,(E、F、G是R上的拓扑向量空间),并且f和g 是两个向量函数,在 x0 处可微,值分别在 E 和 F 中,那么向量函数 x↦[f(x).g(x)](我们用 [f.g] 表示)的导数等于 [f′(x0).g(x0)]+[f(x0).g′(x0)] x0。特别是,如果 a 是常数向量,则 [a.f](分别为 [f.a])在 x0 处的导数等于 [a.f′(x0)](分别为 [f′(x0).a])。
如果 f 和 g 在 I 上可微,那么 [f.g] 也可微,并且我们有
[f.g]′=[f′.g]+[f.g′].
(2)
设f为实数函数、g向量函数,两者在点x0可微; 函数 gf 在 x0 处的导数等于 g′(x0)f(x0)+g(x0)f′(x0)。特别是,如果 a 是常数,则 af 具有导数 af′(x0)。最后的注,在合取中,例 1 of I,p. 5,证明如果f=(fi)1≤i≤n是向量函数,值在Rn中,那么对于f 在点 x0 处可微,实数函数 fi (1≤i≤n) 在那里可微是必要且充分的:因为,如果 (ei)1≤i≤n 是 Rn 的典范基,我们可以写f=∑i=1neifi。
引用了 1
引用了 § 1. 。一阶导数
真正的函数 xn 来自多重线性函数
(x1,x2,…,xn)↦x1x2…xn
在Rn上定义,用x替换每个xi;所以支持。图 3 表明 xn 在 R 上可微,并且具有导数 nxn−1。结果多项式函数a0xn+a1xn−1+⋯+an−1x+an(ai为常数向量)有导数
na0xn−1+(n−1)a1xn−2+⋯+an−1;
当ai是实数时,函数重合与多项式函数的导数如代数(A,IV)中所定义。
欧氏标量乘积(x∣y)(Gen.Top,VI,p. 40)是Rn×Rn到R的双线性映射(必须连续)。如果 f 和 g 是两个向量函数,其中值在 Rn 中,并且在点 x0 处可微,则实数函数 x↦(f(x)∣g(x)) 在 处的导数等于 (f′(x0)∣g(x0))+(f(x0)∣g′(x0)) 点x0。 厄米特标量乘积在Cn上有一个类似的结果,这个空间被认为是R上的向量空间。
让我们特别考虑欧氏范数∥f(x)∥恒定的情况,因此(f(x)∣f(x))=∥f(x)∥2也是恒定的;当(f(x)∣f(x))的导数在x0处消失时,我们得到(f(x0)∣f′(x0))=0;在其他字中,f′(x0)与f(x0)正交。
如果E是R上的拓扑代数(cf.简介),E的两个元素的乘积xy是(x,y)的连续双线性函数;如果f和g在E有值并且在点x0可微,那么函数x↦f(x)g(x)在x0有等于f′(x0)g(x0)+f(x0)g′(x0)的导数。特别是,如果 U(x)=(αij(x)) 和 V(x)=(βij(x)) 是阶 n 的两个方阵,在 x0 可微,则它们的乘积 UV 在 x0 具有等于 U′(x0)V(x0)+U(x0)V′(x0) 的导数(其中U′(x)=(αij′(x)) 和 V′(x)=(βij′(x)))。
来自空间 Rn(代数,III,p. 522)的 n 向量 xi=(xij)1≤i≤n 的行列式 det(x1,x2,…,xn) 是 xi 的(连续)多重线性函数,我们可以看到,如果 n2 实数函数 fij 在 x0 处可微,那么它们的行列式 g(x)=det(fij(x)) 的导数等于
i=1∑n[f1(x0),…,fi−1(x0),fi′(x0),fi+1(x0),…,fn(x0)] 在
x0,其中
fi(x)=(fij(x))1≤j≤n;在其他字中,对于
ith的每个
i、项,通过取由替换形成的
n行列式中的和,获得阶
n的行列式的导数列由它们的导数组成。
4. 函数的倒数的导数
设 E 为完全范数代数,单位元超过R,并令f为定义在区间I⊂R上的函数,在E中取值,并在点x0∈I可微。如果y0=f(x0)在E中可逆2,则函数x↦(f(x))−1定义在x0的邻域上(相对于I),并且在x0处具有等于−(f(x0))−1f′(x0)(f(x0))−1的导数。
引用了 1
引用了 A I § 2. 。 单位元素;可取消元素; 可逆元
事实上,E 中可逆元的集合是一个开集合,其中函数 y↦y−1 是连续的(*Gen.Top.*、IX、p. 178);由于f在x0处是连续的(相对于I),(f(x))−1定义在x0的邻域上,并且我们有
(f(x))−1−(f(x0))−1=(f(x))−1(f(x0)−f(x))(f(x0))−1. 因此,命题由
y0的邻域上的
y−1的连续性以及
xy在
E×E上的连续性得出。
2 Recall from (Alg., I, p. 15) that an element z∈E is said to be invertible if there exists an element of E, denoted by z−1, such that zz−1=z−1z=e (e being the unit element of E).
最重要的特殊情况是,其中 E 是域 R 或 C 之一:如果 f 是函数,实数或复数值,可在点 x0 微分,并且使得 f(x0)=0,则 1/f 的导数等于−f′(x0)/(f(x0))2 x0。
如果U=(αij(x))是阶n的平方矩阵,在x0可微且在点可逆,则U−1在x0的导数等于−U−1U′U−1。
5. 复合物的衍生物函数
令f为在区间I⊂R上定义的实数函数,并在区间R包含f(I)上定义g向量函数。如果 f 在点 x0 可微,且 g 在点 f(x0) 可微,则复合函数 g∘f 在 x0 的导数等于 g′(f(x0))f′(x0)。
被以下引用 1
被以下引用 注 2
让我们输入 h=g∘f;对于 x=x0 我们可以写
x−x0h(x)−h(x0)=u(x)x−x0f(x)−f(x0) 如果
f(x)=f(x0),我们集合
u(x)=f(x)−f(x0)g(f(x))−g(f(x0)),否则
u(x)=g′(f(x0))。现在,当
x趋于
x0时,
f(x)有极限
f(x0),所以
u(x)有极限
g′(f(x0)),鉴于函数
yx的连续性,命题随之而来
E×R。
6. 反函数函数的导数
设f为区间I⊂R到区间J=f(I)⊂R的同态,并令g为逆同态3。如果 f 在点 x0∈I 可微,并且如果 f′(x0)=0,则 g 在 y0=f(x0) 具有等于 1/f′(x0) 的导数。
对于每个y∈J,我们有g(y)∈I和u=f(g(y));我们因此可以写
y−y0g(y)−g(y0)=f(g(y))−f(x0)g(y)−x0 y=y0。当
y趋向于
y0,同时保留在
J和
=y0时,
g(y)趋向于
x0,保留在
I和
=x0,因此前面公式的右侧有极限
1/f′(x0),自假设
f′(x0)=0 起。
如果f在I上可微,并且f′(x)=0在I上可微,则g在J上可微,并且其在每个点y∈J处的导数为1/f′(g(y))。
引用了 1
引用了 TG IV § 2. 实直线的基本拓扑特性
对于例,对于每个整数n>0,函数x1/n是R+自身的同胚,是xn的逆,并且在每个x>0都有导数n1xn1−1。
从道具中可以很容易地推断出。 5、对于每个有理数数r=p/q>0函数xr=(x1/q)p在每个x>0都有导数rx′−1。
3 对于f 是I 到R 子集的同胚,我们知道f 在I 上连续且严格单调是充分必要的(*Gen. Top.*, IV, p. 338, th. 5)。
7. 实值函数的衍生品
当我们处理实变量的*实值* 函数时,前面的定义和命题可能会在几个方面得到增强。
首先,如果f是这样的函数,定义在区间I⊂R上,并且相对于I在点x0∈I连续,则可能发生当x趋于x0同时保持在I和=x0时, x−x0f(x)−f(x0) 的极限等于+∞或−∞;然后可以说 f 在 x0 处可微,并且在那里有导数 +∞(或 −∞);如果函数f在I的每点x有一个导数f′(x)(有限或无限),则函数f′(R中的值)再次称为导数函数(或简称为f的导数)。类似地推广右导数和左导数定义。
在点x=0函数x1/3(x3的逆函数,R自身同胚)有一个导数,等于+∞;在x=0函数∣x∣1/3有右导数+∞和左导数−∞。
公式对于可微实数函数的和、乘积的导数,以及可微分函数的逆(命题1、3和4),以及(实值)合成对函数的导数(命题1)。 5) 当出现的导数是无限时仍然有效,只要这些公式中出现的所有表达式都有意义(*Gen Top.*、IV、p. 345–346)。事实上,如果在道具中。 6 假设 f 为严格递增的(分别为严格递减)并且在 I 上连续,并且如果 f′(x0)=0,则逆函数 g 的导数等于 +∞(分别为 −∞) 点y0=f(x0);如果f′(x0)=+∞(或−∞),则g的导数为0。右导数和左导数有类似的结果,我们将其留给读者处理。
令C为由点(x,f(x))形成的平面R2的有限实数函数f、子集的图形或表示曲线,其中x穿过集合,其中定义了f。若函数f在点x0∈I有有限右导数,则C以点Mx0=(x0,f(x0))为原点,方向为数(1,fd′(x0))的半直线称为曲线的右半切线C 点 Mx0;当fd′(x0)=+∞(或fd′(x0)=−∞)时,我们对原点为Mx0、方向为数(0,1)(或(0,−1))的半线使用相同的术语。同理,当fg′(x0)存在时,在Mx0处求定义左半切线。通过这些定义,我们可以快速验证右(或左)半切线与横坐标所成的角度是该轴与起始于Mx0和经过通过C的点M1=(x,f(x))所成角度的极限,如下x趋于x0,同时保持>x0(或<x0)。
我们还可以说,右(或左)半切线是从 Mx0 经过到 M1 的半线的极限,将具有相同原点的半线的集合赋予商空间拓扑 C∗/R+∗(创 11)。顶部.,VIII,p. 107)。
如果C的点Mx0处存在两条半切线,则仅当f在点x0(假设在I内部)有导数(有限或非)时,它们方向相反;仅当 fd′(x0) 和 fg′(x0) 无穷大且符号相反时,它们才相同。在这两种情况下,我们说直线包含这两条半切线是 C 在点 Mx0 的切线。
当Mx0存在切线时,它是经过穿过Mx0和M1的线的极限,因为x趋于x0,剩余=x0,拓扑在穿过给定固定的线的集合上点是商空间 C∗/R∗(Gen. Top.、VIII、p. 114)。
图的正切和半相切的概念是一般概念的特例,这些概念将在致力于可微分簇的级数的部分中定义。
我们说,在拓扑空间 E 的子集 A 上定义的实函数 f,如果存在邻域 V,则相对于 A 在点 x0∈A 处具有相对最大值(严格相对最大值、相对最小值、严格相对最小值) E 中的x0,使得与x0不同的每个点x∈V∩A都有f(x)≤f(x0)(分别为f(x)<f(x0)、f(x)≥f(x0)、f(x)>f(x0))。
很明显,如果f在A的点处达到A上的最小上界(或下确界),那么它在该点处相对于A具有相对最大值(或相对最小值); 逆命题当然是不正确的。
注,如果B⊂A,并且如果f承认(对于例)相对于B而言在点x0∈B处存在相对最大值,则f不一定在该点处相对于A具有相对最大值。
令 f 为有限实数函数,定义在区间 I⊂R 上。如果f在I内部的点x0处承认相对最大值(或相对最小值),并且在该点处具有右导数和左导数,则有fd′(x0)≤0和fg′(x0)≥0(分别为fd′(x0)≥0和fg′(x0)≤0);特别是,如果 f 在点 x0 可微,则 f′(x0)=0。
命题是从定义衍生出来的。
我们可以进一步说,如果在I函数f内部的点x0是可微的并且允许相对最大值或最小值,则其图的切线平行于横坐标。 逆命题是不正确的,正如函数 x3 的例所示,它在点 x=0 处具有零导数,但在该点处既没有相对最大值,也没有相对最小值。
习题
参见习题为 § 1。