幂法则可用于求像 $f(x) = x^n$ 这类函数的导数。然而,如何求更简单的函数,比如 $f(x) = 5$ 的导数呢?或者由项组合而成的函数,比如 $f(x) = x^2 + x$ 的导数呢?我们需要更多规则来处理这些情况。幸运的是,这些规则很直观,它们直接源于导数作为变化率或切线斜率的思想。在本节中,我们将介绍如何求常数函数以及函数和(或差)的导数。常数的导数:无变化即零斜率让我们从最简单的函数类型开始:常数函数。请看以下函数:$$f(x) = 5$$无论您给它任何输入值 $x$,这个函数总是输出值 5。它的图像是什么样子?它是一条通过 y 轴上 5 的水平线。{ "data": [ { "x": [-5, 5], "y": [5, 5], "type": "scatter", "mode": "lines", "name": "f(x) = 5", "line": {"color": "#339af0", "width": 3} } ], "layout": { "title": "f(x) = 5 的图像", "xaxis": {"title": "x", "range": [-5.5, 5.5]}, "yaxis": {"title": "f(x)", "range": [-1, 7], "zeroline": false}, "showlegend": false, "margin": {"l": 50, "r": 20, "t": 40, "b": 40}, "template": "plotly_white" } }常数函数 $f(x)=c$ 的图像是一条水平线。请记住,导数表示函数图像的切线斜率。水平线的斜率是多少?是零。这条线既不上升也不下降;它的变化率处处为零。这给我们带来了第一条规则:常数法则: 如果 $c$ 是一个常数,那么函数 $f(x) = c$ 的导数为零。使用导数记号:If $f(x) = c$, then $f'(x) = 0$.或者,使用莱布尼茨记号:$$\frac{d}{dx}(c) = 0$$这在道理上是讲得通的:如果一个量从不变化(它是常数),那么它的变化率为零。示例:如果 $f(x) = 100$,那么 $f'(x) = 0$。如果 $y = -3.14$,那么 $\frac{dy}{dx} = 0$。$\frac{d}{dx}(2) = 0$。函数的组合:和差法则现在,如果我们有一个由更简单函数相加或相减形成的函数呢?例如,请看:$$h(x) = x^2 + x$$我们知道如何求 $x^2$ 的导数(根据幂法则,它是 $2x$),以及 $x$ 的导数(它表示 $x^1$,所以根据幂法则,它的导数是 $1x^0 = 1$)。相加操作如何影响导数呢?微积分提供了一个直接的规则:函数和的导数就是它们各自导数的和。这同样适用于差。和法则: 如果 $h(x) = f(x) + g(x)$,那么 $h'(x) = f'(x) + g'(x)$。用莱布尼茨记号表示:$$\frac{d}{dx}[f(x) + g(x)] = \frac{d}{dx}f(x) + \frac{d}{dx}g(x)$$差法则: 如果 $h(x) = f(x) - g(x)$,那么 $h'(x) = f'(x) - g'(x)$。用莱布尼茨记号表示:$$\frac{d}{dx}[f(x) - g(x)] = \frac{d}{dx}f(x) - \frac{d}{dx}g(x)$$基本上,您可以逐项对函数求导。让我们将此应用于我们的示例 $h(x) = x^2 + x$:求第一项 $x^2$ 的导数。根据幂法则,$\frac{d}{dx}(x^2) = 2x$。求第二项 $x$ 的导数。根据幂法则,$\frac{d}{dx}(x) = 1$。将结果相加:$h'(x) = 2x + 1$。处理常数倍数像 $f(x) = 3x^2$ 这样的函数呢?这里,$x^2$ 乘以一个常数 3。对此也有一个简单规则。常数因子在求导时只需“跟随”即可。常数乘法法则: 如果 $h(x) = c \cdot f(x)$,其中 $c$ 是一个常数,那么 $h'(x) = c \cdot f'(x)$。用莱布尼茨记号表示:$$\frac{d}{dx}[c \cdot f(x)] = c \cdot \frac{d}{dx}f(x)$$因此,对于 $f(x) = 3x^2$:识别常数倍数:$c=3$。识别被乘函数:$f(x) = x^2$。求该函数的导数:$\frac{d}{dx}(x^2) = 2x$。将结果乘以该常数:$f'(x) = 3 \cdot (2x) = 6x$。综合运用现在我们可以结合常数法则、和差法则、常数乘法法则和幂法则来对任何多项式函数求导。多项式就是各项之和,其中每项都是一个常数乘以 $x$ 的非负整数次幂(比如 $5x^3 - 2x + 7$)。让我们求 $p(x) = 4x^3 - 5x^2 + x - 2$ 的导数。我们可以逐项求导:项 1: $4x^3$$x^3$ 的导数是 $3x^2$。应用常数乘法法则:$\frac{d}{dx}(4x^3) = 4 \cdot (3x^2) = 12x^2$。项 2: $-5x^2$$x^2$ 的导数是 $2x$。应用常数乘法法则:$\frac{d}{dx}(-5x^2) = -5 \cdot (2x) = -10x$。项 3: $+x$(或 $+1x^1$)$x^1$ 的导数是 $1x^0 = 1$。应用常数乘法法则(此处可选):$\frac{d}{dx}(1x) = 1 \cdot (1) = 1$。项 4: $-2$这是一个常数。应用常数法则:$\frac{d}{dx}(-2) = 0$。现在,使用和差法则合并各项的导数:$$p'(x) = 12x^2 - 10x + 1 - 0$$$$p'(x) = 12x^2 - 10x + 1$$有了这些法则(常数法则、常数乘法法则、和差法则和幂法则),您现在拥有了求任何多项式函数导数的工具。它们构成了微分的基本工具集,我们将在研究如何优化函数(机器学习模型训练中的一项核心任务)时大量使用它们。