「用Python来学微积分」17. 导数与导函数

导数不仅是微积分的核心概念，更是描述变化率的有力工具。本文将带你从几何直观和物理意义的角度，深入理解导数与导函数的概念体系。

一、函数在一点的导数：变化率的精确刻画

1.1 导数的定义与数学表达

导数的概念源于对瞬时变化率 的精确描述。设函数 y=f(x)y=f(x)y=f(x) 在点 x0x_0x0 的某个邻域内有定义，当自变量 xxx 在 x0x_0x0 处有增量 ΔxΔxΔx（且 x0+Δxx_0+Δxx0+Δx 仍在该邻域内），函数相应取得增量 Δy=f(x0+Δx)−f(x0)Δy=f(x_0+Δx)-f(x_0)Δy=f(x0+Δx)−f(x0)。

导数定义 ：如果极限 lim⁡Δx→0ΔyΔx=lim⁡Δx→0f(x0+Δx)−f(x0)Δx\lim_{\Delta x \to 0} \frac{\Delta y}{\Delta x} = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x}Δx→0limΔxΔy=Δx→0limΔxf(x0+Δx)−f(x0) 存在，则称函数 y=f(x)y=f(x)y=f(x) 在点 x0x_0x0 处可导，并称该极限值为函数在点 x0x_0x0 处的导数，记作 f′(x0)f'(x_0)f′(x0)，或 dydx∣x=x0\frac{dy}{dx}|{x=x_0}dxdy∣x=x0 或 df(x)dx∣x=x0\frac{df(x)}{dx}|{x=x_0}dxdf(x)∣x=x0。

1.2 导数的物理意义：从平均变化率到瞬时变化率

导数的本质是平均变化率 在自变量增量趋于零时的极限，即瞬时变化率。这一概念在物理学中有广泛应用：

瞬时速度 ：物体位移 s(t)s(t)s(t) 对时间 ttt 的导数表示瞬时速度 v(t)=s′(t)v(t)=s'(t)v(t)=s′(t)
瞬时加速度 ：速度 v(t)v(t)v(t) 对时间 ttt 的导数表示瞬时加速度 a(t)=v′(t)a(t)=v'(t)a(t)=v′(t)
线密度 ：细杆质量 m(l)m(l)m(l) 对长度 lll 的导数表示线密度 ρ(l)=m′(l)ρ(l)=m'(l)ρ(l)=m′(l)

Python可视化：平均变化率趋近瞬时变化率

python 复制代码

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

def demonstrate_instantaneous_rate():
    """演示平均变化率如何趋近瞬时变化率"""
    # 定义函数：f(x) = x^2
    f = lambda x: x**2
    x0 = 2
    exact_derivative = 4  # f'(x) = 2x, f'(2)=4
    
    # 不同的Δx值
    delta_x_values = [2.0, 1.0, 0.5, 0.1, 0.01, 0.001]
    average_rates = []
    
    for dx in delta_x_values:
        average_rate = (f(x0 + dx) - f(x0)) / dx
        average_rates.append(average_rate)
        error = abs(average_rate - exact_derivative)
        print(f"Δx = {dx:.4f}, 平均变化率 = {average_rate:.4f}, 误差 = {error:.4f}")
    
    # 可视化
    plt.figure(figsize=(10, 6))
    plt.plot([1/dx for dx in delta_x_values], average_rates, 'bo-', label='平均变化率')
    plt.axhline(y=exact_derivative, color='r', linestyle='--', 
                label=f'瞬时变化率 f\'({x0}) = {exact_derivative}')
    
    plt.xlabel('1/Δx (精度增加方向)')
    plt.ylabel('变化率')
    plt.title('平均变化率趋近瞬时变化率 (f(x) = x²)')
    plt.legend()
    plt.grid(True, alpha=0.3)
    plt.xscale('log')
    plt.show()

demonstrate_instantaneous_rate()

运行结果:

二、函数在一点的单侧导数：处理特殊点的利器

2.1 单侧导数的定义

对于定义在闭区间或分段函数，我们需要引入单侧导数的概念：

右导数 ：函数 f(x)f(x)f(x) 在点 x0x_0x0 处的右导数定义为 f+′(x0)=lim⁡Δx→0+f(x0+Δx)−f(x0)Δxf'+(x_0) = \lim{\Delta x \to 0^+} \frac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x}f+′(x0)=Δx→0+limΔxf(x0+Δx)−f(x0)
左导数 ：函数 f(x)f(x)f(x) 在点 x0x_0x0 处的左导数定义为 f−′(x0)=lim⁡Δx→0−f(x0+Δx)−f(x0)Δxf'-(x_0) = \lim{\Delta x \to 0^-} \frac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x}f−′(x0)=Δx→0−limΔxf(x0+Δx)−f(x0)

其中 Δx→0+\Delta x \to 0^+Δx→0+ 表示 Δx\Delta xΔx 从正方向趋于0，Δx→0−\Delta x \to 0^-Δx→0− 表示 Δx\Delta xΔx 从负方向趋于0。

2.2 可导的充要条件

函数 f(x)f(x)f(x) 在点 x0x_0x0 处可导的充分必要条件 是：左导数 f−′(x0)f'-(x_0)f−′(x0) 和右导数 f+′(x0)f'+(x_0)f+′(x0) 都存在且相等。

当左右导数存在但不相等时，函数在该点不可导 ，图像在该点会出现"尖点"。

2.3 典型应用：绝对值函数的可导性分析

经典例子 ：函数 f(x)=∣x∣f(x)=|x|f(x)=∣x∣ 在 x=0x=0x=0 处的可导性

右导数 ：f+′(0)=lim⁡Δx→0+∣Δx∣−0Δx=lim⁡Δx→0+ΔxΔx=1f'+(0) = \lim{\Delta x \to 0^+} \frac{|\Delta x|-0}{\Delta x} = \lim_{\Delta x \to 0^+} \frac{\Delta x}{\Delta x} = 1f+′(0)=limΔx→0+Δx∣Δx∣−0=limΔx→0+ΔxΔx=1
左导数 ：f−′(0)=lim⁡Δx→0−∣Δx∣−0Δx=lim⁡Δx→0−−ΔxΔx=−1f'-(0) = \lim{\Delta x \to 0^-} \frac{|\Delta x|-0}{\Delta x} = \lim_{\Delta x \to 0^-} \frac{-\Delta x}{\Delta x} = -1f−′(0)=limΔx→0−Δx∣Δx∣−0=limΔx→0−Δx−Δx=−1

由于左导数 (−1)(-1)(−1) 不等于右导数 (1)(1)(1)，所以 f(x)=∣x∣f(x)=|x|f(x)=∣x∣ 在 x=0x=0x=0 处不可导。

Python可视化：绝对值函数的单侧导数

python 复制代码

def demonstrate_one_sided_derivatives():
    """演示单侧导数的几何意义"""
    x_left = np.linspace(-2, 0, 100)
    x_right = np.linspace(0, 2, 100)
    f = lambda x: np.abs(x)
    
    # 计算左右导数
    left_derivative = -1  # 左导数
    right_derivative = 1   # 右导数
    
    plt.figure(figsize=(12, 5))
    
    # 函数图像
    plt.subplot(1, 2, 1)
    plt.plot(x_left, f(x_left), 'b-', linewidth=2, label='f(x) = |x|')
    plt.plot(x_right, f(x_right), 'b-', linewidth=2)
    
    # 左右切线
    x_tangent_left = np.linspace(-1, 0, 50)
    left_tangent = left_derivative * x_tangent_left
    plt.plot(x_tangent_left, left_tangent, 'r--', linewidth=2, 
             label=f'左切线: 斜率 = {left_derivative}')
    
    x_tangent_right = np.linspace(0, 1, 50)
    right_tangent = right_derivative * x_tangent_right
    plt.plot(x_tangent_right, right_tangent, 'g--', linewidth=2, 
             label=f'右切线: 斜率 = {right_derivative}')
    
    plt.scatter([0], [0], color='red', s=100, zorder=5)
    plt.title('绝对值函数在x=0处的左右导数')
    plt.xlabel('x')
    plt.ylabel('f(x)')
    plt.legend()
    plt.grid(True, alpha=0.3)
    plt.axis([-2, 2, -0.5, 2])
    
    # 另一个例子：分段函数
    plt.subplot(1, 2, 2)
    x1 = np.linspace(-1, 1, 100)
    g = lambda x: np.piecewise(x, [x < 0, x >= 0], [lambda x: x**2, lambda x: x])
    
    plt.plot(x1, g(x1), 'purple', linewidth=2, label='分段函数')
    
    # 在x=0处的左右导数
    g_left_deriv = 0  # (x²)' = 2x, 在x=0处为0
    g_right_deriv = 1  # (x)' = 1
    
    x_left_tangent = np.linspace(-0.5, 0, 50)
    left_tangent_g = g_left_deriv * x_left_tangent
    plt.plot(x_left_tangent, left_tangent_g, 'r--', linewidth=2, 
             label=f'左导数 = {g_left_deriv}')
    
    x_right_tangent = np.linspace(0, 0.5, 50)
    right_tangent_g = g_right_deriv * x_right_tangent
    plt.plot(x_right_tangent, right_tangent_g, 'g--', linewidth=2, 
             label=f'右导数 = {g_right_deriv}')
    
    plt.scatter([0], [0], color='red', s=100, zorder=5)
    plt.title('分段函数在x=0处的可导性')
    plt.xlabel('x')
    plt.ylabel('g(x)')
    plt.legend()
    plt.grid(True, alpha=0.3)
    
    plt.tight_layout()
    plt.show()

demonstrate_one_sided_derivatives()

运行结果:

三、导数的几何意义：切线与变化率的可视化理解

3.1 切线斜率的精确化

从几何角度看，导数 f′(x0)f'(x_0)f′(x0) 表示曲线 y=f(x)y=f(x)y=f(x) 在点 P0(x0,f(x0))P_0(x_0, f(x_0))P0(x0,f(x0)) 处的切线斜率。

割线到切线的演变过程：

割线斜率 ：通过点 P0(x0,f(x0))P_0(x_0, f(x_0))P0(x0,f(x0)) 和 P(x,f(x))P(x, f(x))P(x,f(x)) 的割线斜率为 f(x)−f(x0)x−x0\frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}x−x0f(x)−f(x0)
切线定义 ：当 x→x0x \to x_0x→x0 时，割线 P0PP_0PP0P 趋近于一个极限位置，这个极限位置的直线称为曲线在点 P0P_0P0 处的切线
切线斜率 ：切线斜率即为割线斜率的极限值：k=lim⁡x→x0f(x)−f(x0)x−x0=f′(x0)k = \lim_{x \to x_0} \frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0} = f'(x_0)k=limx→x0x−x0f(x)−f(x0)=f′(x0)

3.2 切线方程与法线方程

知道切线斜率后，我们可以写出：

切线方程 ：y−f(x0)=f′(x0)(x−x0)y - f(x_0) = f'(x_0)(x - x_0)y−f(x0)=f′(x0)(x−x0)
法线方程 （与切线垂直的直线）：y−f(x0)=−1f′(x0)(x−x0)y - f(x_0) = -\frac{1}{f'(x_0)}(x - x_0)y−f(x0)=−f′(x0)1(x−x0)（当 f′(x0)≠0f'(x_0) \neq 0f′(x0)=0）

Python可视化：导数与切线关系

python 复制代码

def demonstrate_tangent_line():
    """演示导数的几何意义：切线斜率"""
    # 定义函数和点
    f = lambda x: np.sin(x) + 0.1*x**2
    x0 = 1.5
    derivative_at_x0 = np.cos(x0) + 0.2*x0  # f'(x) = cos(x) + 0.2x
    
    x = np.linspace(0, 3, 1000)
    y = f(x)
    
    plt.figure(figsize=(12, 5))
    
    # 主图：函数曲线和切线
    plt.subplot(1, 2, 1)
    plt.plot(x, y, 'b-', linewidth=2, label='f(x) = sin(x) + 0.1x²')
    plt.scatter([x0], [f(x0)], color='red', s=100, zorder=5)
    
    # 切线
    tangent_line = f(x0) + derivative_at_x0 * (x - x0)
    plt.plot(x, tangent_line, 'r--', linewidth=2, 
             label=f'切线: 斜率 = {derivative_at_x0:.3f}')
    
    # 割线（不同Δx值）
    for dx in [1.0, 0.5, 0.2]:
        x1 = x0 + dx
        slope_secent = (f(x1) - f(x0)) / (x1 - x0)
        secent_line = f(x0) + slope_secent * (x - x0)
        plt.plot(x, secent_line, ':', alpha=0.7, 
                 label=f'割线(Δx={dx}): 斜率 = {slope_secent:.3f}')
    
    plt.title('从割线到切线的演变过程')
    plt.xlabel('x')
    plt.ylabel('f(x)')
    plt.legend()
    plt.grid(True, alpha=0.3)
    
    # 局部放大图
    plt.subplot(1, 2, 2)
    x_zoom = np.linspace(x0-0.5, x0+0.5, 200)
    y_zoom = f(x_zoom)
    tangent_zoom = f(x0) + derivative_at_x0 * (x_zoom - x0)
    
    plt.plot(x_zoom, y_zoom, 'b-', linewidth=2, label='f(x)')
    plt.plot(x_zoom, tangent_zoom, 'r--', linewidth=2, label='切线')
    
    # 标记点和斜率
    plt.scatter([x0], [f(x0)], color='red', s=100, zorder=5)
    plt.annotate(f'点P({x0:.1f}, {f(x0):.2f})', 
                (x0, f(x0)), xytext=(x0+0.1, f(x0)-0.2))
    
    plt.title('切线斜率的局部放大图')
    plt.xlabel('x')
    plt.ylabel('f(x)')
    plt.legend()
    plt.grid(True, alpha=0.3)
    
    plt.tight_layout()
    plt.show()

demonstrate_tangent_line()

四、函数在一点可导与连续的关系

4.1 重要定理：可导必连续

这是一个微积分中的基本定理 ：如果函数 f(x)f(x)f(x) 在点 x0x_0x0 处可导，那么它在点 x0x_0x0 处一定连续。

证明思路 ：如果 f(x)f(x)f(x) 在 x0x_0x0 处可导，则极限 lim⁡Δx→0f(x0+Δx)−f(x0)Δx\lim_{\Delta x \to 0} \frac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x}limΔx→0Δxf(x0+Δx)−f(x0) 存在（设为 f′(x0)f'(x_0)f′(x0)）。考虑： lim⁡Δx→0[f(x0+Δx)−f(x0)]=lim⁡Δx→0f(x0+Δx)−f(x0)Δx⋅Δx=f′(x0)⋅0=0\lim_{\Delta x \to 0} [f(x_0+\Delta x)-f(x_0)] = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x} \cdot \Delta x = f'(x_0) \cdot 0 = 0Δx→0lim[f(x0+Δx)−f(x0)]=Δx→0limΔxf(x0+Δx)−f(x0)⋅Δx=f′(x0)⋅0=0 这说明 lim⁡Δx→0f(x0+Δx)=f(x0)\lim_{\Delta x \to 0} f(x_0+\Delta x) = f(x_0)limΔx→0f(x0+Δx)=f(x0)，即 f(x)f(x)f(x) 在 x0x_0x0 处连续。

4.2 逆命题不成立：连续不一定可导

关键点 ：连续只是可导的必要条件 而非充分条件。存在许多函数在一点连续但不可导的例子：

尖点例子 ：f(x)=∣x∣f(x)=|x|f(x)=∣x∣ 在 x=0x=0x=0 处连续但不可导（左右导数不相等）
垂直切线例子 ：f(x)=x3f(x)=\sqrt[3]{x}f(x)=3x 在 x=0x=0x=0 处连续但导数无穷大
振荡例子：某些病态函数可能处处连续但处处不可导

Python可视化：连续但不可导的函数

python 复制代码

def demonstrate_continuous_but_not_differentiable():
    """演示连续但不可导的函数例子"""
    x = np.linspace(-2, 2, 1000)
    
    plt.figure(figsize=(15, 5))
    
    # 例子1：绝对值函数（尖点）
    plt.subplot(1, 3, 1)
    y1 = np.abs(x)
    plt.plot(x, y1, 'b-', linewidth=2, label='f(x) = |x|')
    plt.scatter([0], [0], color='red', s=100)
    plt.title('尖点例子: 在x=0处连续但不可导')
    plt.xlabel('x')
    plt.ylabel('f(x)')
    plt.grid(True, alpha=0.3)
    
    # 例子2：立方根函数（垂直切线）
    plt.subplot(1, 3, 2)
    y2 = np.cbrt(x)
    plt.plot(x, y2, 'green', linewidth=2, label='f(x) = ∛x')
    plt.scatter([0], [0], color='red', s=100)
    plt.title('垂直切线例子: 在x=0处连续但不可导')
    plt.xlabel('x')
    plt.ylabel('f(x)')
    plt.grid(True, alpha=0.3)
    
    # 例子3：分段函数（跳跃导数）
    plt.subplot(1, 3, 3)
    y3 = np.piecewise(x, [x < 0, x >= 0], [lambda x: x**2, lambda x: x])
    plt.plot(x, y3, 'purple', linewidth=2, label='分段函数')
    plt.scatter([0], [0], color='red', s=100)
    plt.title('分段函数: 在x=0处连续但不可导')
    plt.xlabel('x')
    plt.ylabel('f(x)')
    plt.grid(True, alpha=0.3)
    
    plt.tight_layout()
    plt.show()

demonstrate_continuous_but_not_differentiable()

五、知识总结与思维导图

核心概念关系

复制代码

导数概念体系
├── 一点处的导数
│   ├── 定义：Δy/Δx当Δx→0的极限
│   ├── 物理意义：瞬时变化率
│   └── 单侧导数（左导数、右导数）
│       └── 可导充要条件：左导数=右导数
├── 几何意义
│   ├── 切线斜率
│   ├── 切线方程：y-f(x₀)=f'(x₀)(x-x₀)
│   └── 法线方程
└── 可导与连续的关系
    ├── 可导 ⇒ 连续（定理）
    └── 连续 ⇏ 可导（有反例）

🔍 思考题（评论区讨论）

几何直观：如果一个函数在某点的切线是垂直的，该点是否可导？为什么？
物理类比：瞬时速度为零的物体，其加速度是否一定为零？用导数概念解释。
反例构造：你能构造一个在x=0处连续但不可导的函数吗？（除了绝对值函数）
实际应用：在经济学中，边际成本是导数的概念吗？它反映了什么变化率？

💻 Python探索挑战

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# 挑战1：绘制函数 f(x) = x*sin(1/x) 在x=0附近的行为，分析其在x=0处的连续性和可导性
# 挑战2：创建一个交互式可视化，让用户输入Δx值，观察平均变化率如何趋近瞬时变化率
# 挑战3：验证三次函数 f(x) = x³ 在所有点都可导，并解释为什么

下节预告 ：在下一篇文章中，我们将学习微分的概念及其应用，包括微分的定义、几何意义、与导数的关系，以及微分在近似计算和误差估计中的实际应用。

参考资料：

同济大学《高等数学》第七版
扈志明《微积分》教材

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