第一单元 用python学习微积分(四) 链式法则及高阶导数(上)- 通用公式的推导

本文内容来自学习麻省理工学院公开课:单变量微积分-链式法则及高阶导数-网易公开课

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一、公式推导

1、乘法法则 (uv)' = u'v + v'u

2、除法法则 ​

3、除法法则应用


一、公式推导

1、乘法法则 (uv)' = u'v + v'u

d(uv)'/dx =\frac{u(x+\Delta x) \times v(x+\Delta x) - u(x)\times v(x)}{\Delta x}

=\frac{u(x+\Delta x) \times v(x+\Delta x) - u(x) \times v(x+\Delta x) + u(x) \times v(x+\Delta x) - u(x) \times v(x)}{\Delta x}

(这里分子中凭空添加2项u(x)v(x+Δx) 一正一负)

= \frac{v(x+\Delta x) \times (u(x+\Delta x) - u(x)) + u(x) \times (v (x+\Delta x) -v(x))}{\Delta x}

= \frac{v(x+\Delta x) \times \Delta u}{\Delta x} + u(x) \times \frac{\Delta v}{\Delta x}(由于Δx =>0)

\doteq v(x+\Delta x)\times u' + u(x)\times v'= vu' + u v'

这里讨论下, u' 实际是u(x)' 所以是u(x)的导数,所以vu' + uv'应该分别用python对u(x)和v(x)求导

举个栗子: u(x) = x^{2} + 5; v(x) =1/ x^3;z(x) = u(x)\times v(x);

对z(x)求导: 根据公式 z(x)' = u(x)'v(x) + v(x)'u(x),

在python中先后求得u(x)' 和v(x)'的导数

from sympy import *
x= symbols('x')
gfg_exp = x**2+5
dif = diff(gfg_exp, x)
dif     

from sympy import *
x= symbols('x')
gfg_exp = 1 / x**3
dif = diff(gfg_exp, x)
dif

将结果带入: z(x)' = u(x)'v(x) + v(x)'u(x) = 2x * v(x) + -3/x**4 * u(x)

x, u, v = symbols('x u v')
expr = 2 * x * v + -3/x**4 * u
expr.subs(v,1/x**3).subs(u, x**2+5)

2、除法法则 (\frac{u}{v})' =\frac{u'v - v'u}{v^2}

\Delta (\frac{u}{v}) = \frac{u+\Delta u}{v+\Delta v} - \frac{u}{v}

=\frac{v(u+\Delta u)-u(v+\Delta v)}{v(v+\Delta v)}

\frac{\Delta (\frac{u}{v})}{\Delta x} = \frac{\frac{v(u+\Delta u)}{\Delta x}-\frac{u(v+\Delta v)}{\Delta x}}{v(v+\Delta v)}当Δx趋近0

=\frac{vu' - uv'}{v^2}

3、除法法则应用

(\frac{1}{v})' = \frac{1'v - v'1}{v^2} = -v'v^{-2}

(\frac{1}{x^n})' = \frac{1' \times x^n - nx^{n-1} \times1}{x^{2n}} = -nx^{-1-n}


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