导数表示瞬时变化率,或者函数图像上任意一点的切线斜率。直接使用极限定义来计算这个斜率,虽然是基本方法,但对于比最简单函数更复杂的函数来说,会相当麻烦。想象一下,要计算 $f(x) = x^7$ 或更复杂多项式的极限!幸运的是,数学家们已经推导出计算常见函数类型导数的简便规则。其中一个最基本且常用的是幂法则。它提供了一种直接的方法来求取涉及变量带幂次的函数的导数,比如 $x^2$、$x^3$,甚至仅仅是 $x$。幂法则适用于 $f(x) = x^n$ 形式的函数,其中 $n$ 是任意实数指数。在本入门课程中,我们将主要关注 $n$ 是非负整数(例如 0, 1, 2, 3, ...)的情况。幂法则表述对于函数 $f(x) = x^n$,其导数,记作 $f'(x)$ 或 $\frac{d}{dx}(x^n)$,表示为:$$ f'(x) = nx^{n-1} $$简单来说:将指数提到前面: 将原项乘以原指数 $n$。指数减一: 从原指数中减去 1。让我们通过几个例子来看看它的应用。示例 1:$f(x) = x^2$这个函数表示一个简单的抛物线。让我们应用幂法则。在这里,指数 $n=2$。将指数提到前面: 我们乘以 2。指数减一: 新指数是 $2 - 1 = 1$。所以,导数是: $$ f'(x) = 2x^{2-1} = 2x^1 = 2x $$ 这个结果,$f'(x) = 2x$,告诉我们抛物线 $y=x^2$ 在任意点 $x$ 处的切线斜率。例如,在 $x=1$ 处,斜率是 $2(1)=2$。在 $x=0$ 处,斜率是 $2(0)=0$(抛物线的底部)。在 $x=-3$ 处,斜率是 $2(-3)=-6$。示例 2:$f(x) = x^5$在这里,$n=5$。将指数提到前面: 乘以 5。指数减一: 新指数是 $5 - 1 = 4$。导数是: $$ f'(x) = 5x^{5-1} = 5x^4 $$示例 3:$f(x) = x$这看起来可能不一样,但请记住 $x$ 等同于 $x^1$。所以,在这里 $n=1$。将指数提到前面: 乘以 1。指数减一: 新指数是 $1 - 1 = 0$。导数是: $$ f'(x) = 1x^{1-1} = 1x^0 $$ 现在回想一下,任何非零数的 0 次幂都等于 1(所以 $x^0 = 1$,假设 $x \neq 0$)。 $$ f'(x) = 1 \times 1 = 1 $$ 函数 $f(x) = x$ 的导数是 $f'(x) = 1$。这非常符合直觉!$y=x$ 的图像是一条斜率为 1 的直线,在任何地方都是如此。导数正确地体现了这种固定斜率。常数项呢?(一个小提示)考虑一个常数函数,比如 $f(x) = 7$。我们如何用幂法则来考虑它呢?我们可以把 $7$ 写成 $7x^0$。尽管幂法则直接适用于 $x^n$,但我们很快会看到一个针对常数的特定法则。然而,思考 $x^0$ 是有益的。如果我们只考虑 $g(x) = x^0$,幂法则会给出:$g'(x) = 0x^{0-1} = 0x^{-1} = 0$导数是 0。这与直觉相符:像 $y=7$ 这样的常数函数是一条水平线,而水平线的斜率总是 0。我们将在下一节中用“常数法则”来对此进行正式说明。幂法则是一个重要的简化方法。无需每次都费力计算极限,我们现在可以快速求出任何形如 $x^n$ 的项的导数(即变化率)。这条规则是我们后续将大量使用的组成部分,特别是在我们开始研究机器学习中常见的成本函数时,这些函数通常包含平方项或其他变量的幂次。