微分法

微分法

在数学中,微分是对函式的局部变化率的一种线性描述。微分可以近似地描述当函式自变数的取值作足够小的改变时,函式的值是怎样改变的。当某些函式f的自变数x有一个微小的改变h时,函式的变化可以分解为两个部分。一个部分是线性部分,另一部分是比h更高阶的无穷小,这种表示方法成为微分法。

    • 中文名:微分法
    • 外文名:Differential method
    • 套用:线性代数
    • 领域:数理科学

简介

在古典的微积分学中,微分被定义为变化量的线性部分,在现代的定义中,微分被定义为将自变数的改变数

映射到变化量的线性部分的线性映射

。这个映射也被称为切映射。给定的函式在一点的微分如果存在,就一定是唯一的。

在数学中,微分是对函式的局部变化率的一种线性描述。微分可以近似地描述当函式自变数的取值作足够小的改变时,函式的值是怎样改变的。当某些函式

的自变数

有一个微小的改变

时,函式的变化可以分解为两个部分。一个部分是线性部分:在一维情况下,它正比于自变数的变化量

,可以表示成

和一个与

无关,只与函式

有关的量的乘积;在更广泛的情况下,它是一个线性映射作用在

上的值。另一部分是比

更高阶的无穷小,也就是说除以

后仍然会趋于零。当改变数

很小时,第二部分可以忽略不计,函式的变化量约等于第一部分,也就是函式在

处的微分,记作

。如果一个函式在某处具有以上的性质,就称此函式在该点可微。

不是所有的函式的变化量都可以分为以上提到的两个部分。若函式在某一点无法做到可微,便称函式在该点不可微。

定义

微分法定义如下:

设函式

在某区间

内有定义。对于

内一点

,当

变动到附近的

(也在此区间内)时,如果函式的增量

可表示为

(其中

是不依赖于

的常数),而

是比高阶的无穷小,那么称函式

在点

是可微的,且

称作函式在点

相应于自变数增量

的微分,记作

,即

的线性主部。

通常把自变数

的增量

称为自变数的微分,记作

,即

图1.微分法

(函式在一点的微分,其中红线部分是微分量

,而加上灰线部分后是实际的改变数

。)

几何意义

是曲线

上的点

在横坐标上的增量,

是曲线在点

对应

在纵坐标上的增量,

是曲线在点

的切线对应

在纵坐标上的增量。当

很小时,

要小得多(高阶无穷小),因此在点

附近,我们可以用切线段来近似代替曲线段。

微分法则

和求导一样,微分有类似的法则,例如,如果设函式

可微,那么:

1)

2)

3)

4)若函式

可导,那么

微分法与微分形式

如果说微分是导数的一种推广,那么微分形式则是对于微分函式的再推广。微分函式对每个点

给出一个近似描述函式性质的线性映射

,而微分形式对区域

内的每一点给出一个从该点的切空间映射到值域的斜对称形式:

。在坐标记法下,可以写成:

其中的

-射影运算元,也就是说将一个向量

射到它的第

个分量

的映射。而

是满足:

k-形式。

特别地,当

是一个从

映射到

的函式时,可以将

写作:

正是上面公式的一个特例。

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