5.1 导数的概念及其意义
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考过本节的真题
没有考过本站语料里还没有一道真题考到这一节:现有攻略中没有任何一篇,经由引本节作教材出处的实体连到本节。这一段是两跳派生的(节 ← 实体 ← 攻略),源里没有「节 → 题」的手写声明——新的攻略一上站,清单会自己长出来。它说的是本站已上站的那些卷子里没有考到,不是「高考不考这一节」。
讲解
本站对这一节的重写(不是原书转写):顺序可重组、推导可补全,目标是易读易学 + 与真题关联。原文以上方扫描图为准。
必修第一册比较过一次函数、指数函数、对数函数的增长快慢,但那时只能说”谁比谁快”。 本节要把”快慢”变成一个能算出具体数字的量。做法只有一个: 先算一小段上的平均变化率,再让这一小段的长度趋近于零。 本节两个问题——跳水的瞬时速度、抛物线的切线斜率——看起来一个是物理一个是几何, 最后落到的却是同一个式子,这正是 §5.1.2 要把它抽象成”导数”的理由。
在必修第一册中,我们研究了函数的单调性,并利用函数单调性等知识定性地研究了一次函数、指数函数、对数函数增长速度的差异,知道“对数增长”是越来越慢的,“指数爆炸”比“直线上升”快得多。进一步地,能否精确定量地刻画变化速度的快慢呢?下面我们就来研究这个问题。
一、问题 1:平均速度为什么不够用
在一次跳水运动中,某运动员在运动过程中的重心相对于水面的高度 (单位:m)与起跳后的时间 (单位:s)存在函数关系
如何描述运动员从起跳到入水的过程中运动的快慢程度呢?
直觉告诉我们,运动员从起跳到入水的过程中,在上升阶段运动得越来越慢,在下降阶段运动得越来越快。我们可以把整个运动时间段分成许多小段,用运动员在每段时间内的平均速度 近似地描述他的运动状态。
一般地,在 这段时间里,
这个一般公式自己推一遍,比背下来有用:
分子里 是公因式,约掉之后就只剩
注意这一步只有在 时才允许——约分的前提是分母不为零。 这个”先约分”的动作,本节后面还要用两次,是全章最基础的技术动作。
平均速度的破绽
计算运动员在 这段时间里的平均速度,你发现了什么?你认为用平均速度描述运动员的运动状态有什么问题吗?
我们发现,运动员在 这段时间里的平均速度为0。显然,在这段时间内,运动员并不处于静止状态。因此,用平均速度不能准确反映运动员在这一时间段里的运动状态。
为什么偏偏是 ,题目没说,但值得算一算。平均速度为零, 等价于这段时间里的位移为零,也就是 :
也就是说, 正是运动员重新落回起跳高度的那一刻。 抛物线关于顶点对称,顶点在 ,恰好是 的一半。 上升多高就下降多少,位移抵消得干干净净,平均速度当然是 。
这个反例的杀伤力在于:它不是算错了,而是平均速度这个量本身就问不出想问的东西。 运动员在这一秒里又是上升又是下降,平均速度把两个方向抵消掉了。 要描述”某一时刻”的运动,必须换一个量。
为了精确刻画运动员的运动状态,需要引入瞬时速度的概念。我们把物体在某一时刻的速度称为瞬时速度(instantaneous velocity)。
二、瞬时速度:让时间段缩到一点
瞬时速度与平均速度有什么关系?你能利用这种关系求运动员在 s时的瞬时速度吗?
设运动员在 时刻附近某一时间段内的平均速度是 ,可以想象,如果不断缩短这一时间段的长度,那么 将越来越趋近于运动员在 时刻的瞬时速度.
为了求运动员在 时的瞬时速度,我们在 之后或之前,任意取一个时刻 , 是时间改变量,可以是正值,也可以是负值,但不为0。当 时, 在1之后;当 时, 在1之前。当 时,把运动员在时间段 内近似看成做匀速直线运动,计算时间段 内的平均速度 ,用平均速度 近似表示运动员在 时的瞬时速度。当 时,在时间段 内可作类似处理。为了提高近似表示的精确度,我们不断缩短时间间隔,得到如下表格(表5.1-1)。
身上有三条规定,一条都不能少:
- 可以是正的,这时看的是 之后那一小段 ;
- 可以是负的,这时看的是 之前那一小段 ;
- 但绝不能等于 ,否则 的分母为零,式子根本没有意义。
第三条最要紧。” 无限趋近于 “和""是两回事: 前者是一个过程,后者是一个(不允许出现的)取值。这个区别贯穿整章。
表 5.1-1(本站按扫描页重排)
课本用两栏并排,左栏 、右栏 。 两栏的第一行都在做同一件事:把 化简。 左栏是
右栏是
两栏化简到最后是同一个式子,这说明”从左边逼近”和”从右边逼近”用的是同一个函数, 表格分成两栏只是为了强调两个方向都要看。下面是数值:
给出 更多的值,利用计算工具计算对应的平均速度 的值。当 无限趋近于0时,平均速度 有什么变化趋势?
我们发现,当 无限趋近于0,即无论 从小于1的一边,还是从大于1的一边无限趋近于1时,平均速度 都无限趋近于-5.
事实上,由 可以发现,当 无限趋近于0时, 也无限趋近于0,所以 无限趋近于-5。这与前面得到的结论一致。数学中,我们把-5叫做“当 无限趋近于0时, 的极限”,记为
表格和代数分工不同,两样都不能省:表格让你看见趋势, 但看见多少行都不能证明极限是 ;真正给出答案的是化简后的 —— 一趋近于 , 就趋近于 ,剩下的常数 就是极限。 先化简、再取极限,这个顺序不能反。
从物理的角度看,当时间间隔 无限趋近于0时,平均速度 就无限趋近于 时的瞬时速度.因此,运动员在 s时的瞬时速度
思考两问
(1) 求运动员在 时的瞬时速度;
(2) 如何求运动员从起跳到入水过程中在某一时刻 的瞬时速度?
(1) 照搬 的做法。,而
于是 ,让 趋近于 得
(顺带一验:令 解得入水时刻约为 ,所以 时人还在空中, 这个瞬时速度是有意义的。)
(2) 把 换成 走一遍。分子里的平方差仍然能约掉一个 :
这一步是整节的收口:瞬时速度不再是一个个孤立的数, 而是 的一个函数。把 、、 代进去, 分别得到 、、,与前面逐个算的结果全部吻合。 “导函数”的雏形就在这里。
三、问题 2:切线得重新定义
我们知道,如果一条直线与一个圆只有一个公共点,那么这条直线与这个圆相切。对于一般的曲线 ,如何定义它的切线呢?下面我们以抛物线 为例进行研究。
你认为应该如何定义抛物线 在点 处的切线?
为什么圆的那套定义搬不过来,值得用两个反例讲清楚:
- 只有一个公共点,却不是切线:直线 与抛物线 只交于 这一点, 但它竖直穿过抛物线,谁也不会把它叫做切线。
- 是切线,公共点却不止一个:曲线 在 处的切线是 , 而 ,说明它还与曲线交于 。
所以”公共点个数”这条判据对一般曲线两头都不灵,必须换一个刻画方式—— 课本选的是用割线的极限位置来定义切线。
与研究瞬时速度类似,为了研究抛物线 在点 处的切线,我们通常在点 的附近任取一点 ,考察抛物线 的割线 的变化情况.
如图5.1-1,当点 沿着抛物线 趋近于点 时,割线 有什么变化趋势?
我们发现,当点 无限趋近于点 时,割线 无限趋近于一个确定的位置,这个确定位置的直线 称为抛物线 在点 处的切线.
割线斜率的极限
我们知道,斜率是确定直线的一个要素。如何求抛物线 在点 处的切线 的斜率 呢?
从上述切线的定义可见,抛物线 在点 处的切线 的斜率与割线 的斜率有内在联系。记 , 则点 P 的坐标是 。于是,割线 的斜率
这里的约分和瞬时速度那里一模一样:
同样地, 才能约,约完之后的 才可以让 趋近于 。
表 5.1-2(本站按扫描页重排)
我们发现,当 无限趋近于 0 时,即无论 x 从小于 1 的一边,还是从大于 1 的一边无限趋近于 1 时,割线 的斜率 k 都无限趋近于 2.
事实上,由 可以直接看出,当 无限趋近于0时, 无限趋近于2. 我们把2叫做“当 无限趋近于0时, 的极限”,记为
四、两个问题其实是同一个式子
把本节的两条主线并排放,形式完全一样:
| 跳水问题 | 切线问题 | |
|---|---|---|
| 函数 | ||
| 考察点 | ||
| 小增量 | ||
| 比值的意义 | 平均速度 | 割线斜率 |
| 比值 | ||
| 极限的意义 | 瞬时速度 | 切线斜率 |
去掉物理和几何的外衣,剩下的是同一个东西: 函数值的改变量除以自变量的改变量,再让自变量的改变量趋近于零。 这个共同的量就是下一节要定义的导数, 而”瞬时速度”和”切线斜率”从此都成了它的一种解释。
五、常见错法
- 把 代进没约分的式子。分母是 ,直接代会得到 。 必须先约分,约分的前提正是 。
- 只看表格就宣布极限。表格给的是证据不是证明; 真正的依据是化简后的表达式。
- 以为 只能取正数。它可以为负,对应从左边逼近; 极限存在的意思是两边逼近得到同一个数。
- 把平均速度当成瞬时速度的近似就万事大吉。 近似要”越来越准”才有意义,所以必须让 无限缩小, 单独一个 说明不了任何事。
- 用”只有一个公共点”定义一般曲线的切线。上面两个反例说明这条判据两头都失效。
- 把 的负号丢掉。跳水问题里向下运动时速度是负的, 和 不是一回事,符号带着方向。
习题详解(本站解答,无官方答案可核)
人教 A 版学生用书不含答案,教师用书与全解不在本站语料里——因此本节习题的解答无官方答案可核,它们是本站写的。每一道都过了独立 verifier 的 refute 优先复核(默认它有问题,找不出问题才放行),但那不等于官方标准答案:拿它对思路,别拿它对分。
本节的练习共 3 道:第 1、2 题印在 page-0066(印刷第 61 页),
第 3 题印在 page-0067(印刷第 62 页)。
三道题练的是同一套动作,一步都不能跳:
- 写出平均变化率,分母是自变量的改变量 ;
- 把分子展开、合并,约掉一个 ——这一步的前提是 ;
- 让 趋近于 ,剩下的常数就是瞬时变化率。
练习(第 61 页)第 1 题
- 求问题 1 中跳水运动员在 时的瞬时速度.
问题 1 里的函数是 ,要求的是 处的瞬时速度。
第一步:平均速度
先把分子整理出来。对任意 ,
取 ,注意 :
第二步:约分
第三步:取极限
当 无限趋近于 时, 无限趋近于 ,所以
即
这个”几乎为零”不是算错
答案的绝对值只有 ,比 时的 小了五十倍,看起来可疑,其实完全对得上: 的图象是开口向下的抛物线,顶点在
就在顶点右边一点点,运动员几乎正处在最高点,速度当然接近零; 负号说明已经开始下落。把讲解里推出的通式 代入 , 也是 ,两条路对得上。
练习(第 61 页)第 2 题
- 火箭发射 s 后,其高度(单位:m)为 。求:
(1) 在 这段时间里,火箭爬高的平均速度;
(2) 发射后第 时,火箭爬高的瞬时速度.
火箭的高度函数是 ,两问一个要平均、一个要瞬时,口径不同,不能混。
(1) 平均速度
平均速度是一段时间上的位移除以时间:
(2) 第 时的瞬时速度
瞬时速度是一个时刻上的,要走三步。分子先展开:
约掉 :
让 趋近于 :
一个能顺手用上的巧合
把 (2) 的做法推广到任意 ,得到 。 拿它去核对 (1): 的中点是 ,而
恰好等于 (1) 算出的平均速度。这不是偶然,对任何二次函数都成立: 设 ,则 上的平均变化率是 , 而中点 处的瞬时变化率是 , 两者一模一样。拿它当二次函数题的验算手段,很省事—— 但要记住这条只对二次函数成立,别推广到别的函数上去。
练习(第 62 页)第 3 题
- 一个小球从 的高处自由下落,其位移 (单位: )与时间 (单位:s)之间的关系为 求 时小球的瞬时速度.
位移函数是 ,求 处的瞬时速度。
三步走
三处值得说清楚的地方
其一,负号不能丢。 题面把位移写成 , 意思是取向上为正,小球往下掉所以位移是负的。 因此瞬时速度 里的负号表示方向向下, 它的大小(速率)是 。答成 就丢掉了方向。
其二, 时小球还没落地,这个答案才有意义。 下落 需要
时小球已经下落了 ,离地面还差 ,仍在空中。 凡是给了初始高度的自由落体题,都该顺手验一下所求时刻在不在飞行过程中。
其三,答案和物理常识严丝合缝。 自由落体的速度是 , 取 、,正好是 。 位移公式里的系数 也是同一个来源。 用瞬时速度算出来的结果与匀加速运动公式一致,说明这一套极限做法确实抓住了”某一时刻的速度”。
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机器转写,如有出入以上方扫描图为准。它是原文可搜索、可复制公式、读屏器读得出的形态, 也是教材原文引文的逐字比对靶。
5.1 导数的概念及其意义
在必修第一册中,我们研究了函数的单调性,并利用函数单调性等知识定性地研究了一次函数、指数函数、对数函数增长速度的差异,知道“对数增长”是越来越慢的,“指数爆炸”比“直线上升”快得多。进一步地,能否精确定量地刻画变化速度的快慢呢?下面我们就来研究这个问题。
5.1.1 变化率问题
问题 1 跳水运动员的速度
探究
在一次跳水运动中,某运动员在运动过程中的重心相对于水面的高度 (单位:m)与起跳后的时间 (单位:s)存在函数关系
如何描述运动员从起跳到入水的过程中运动的快慢程度呢?
直觉告诉我们,运动员从起跳到入水的过程中,在上升阶段运动得越来越慢,在下降阶段运动得越来越快。我们可以把整个运动时间段分成许多小段,用运动员在每段时间内的平均速度 近似地描述他的运动状态。
例如,在 这段时间里,
在 这段时间里,
一般地,在 这段时间里,
思考
计算运动员在 这段时间里的平均速度,你发现了什么?你认为用平均速度描述运动员的运动状态有什么问题吗?
我们发现,运动员在 这段时间里的平均速度为0。显然,在这段时间内,运动员并不处于静止状态。因此,用平均速度不能准确反映运动员在这一时间段里的运动状态。
为了精确刻画运动员的运动状态,需要引入瞬时速度的概念。我们把物体在某一时刻的速度称为瞬时速度(instantaneous velocity)。
探究
瞬时速度与平均速度有什么关系?你能利用这种关系求运动员在 s时的瞬时速度吗?
设运动员在 时刻附近某一时间段内的平均速度是 ,可以想象,如果不断缩短这一时间段的长度,那么 将越来越趋近于运动员在 时刻的瞬时速度.
• •
为了求运动员在 时的瞬时速度,我们在 之后或之前,任意取一个时刻 , 是时间改变量,可以是正值,也可以是负值,但不为0。当 时, 在1之后;当 时, 在1之前。当 时,把运动员在时间段 内近似看成做匀速直线运动,计算时间段 内的平均速度 ,用平均速度 近似表示运动员在 时的瞬时速度。当 时,在时间段 内可作类似处理。为了提高近似表示的精确度,我们不断缩短时间间隔,得到如下表格(表5.1-1)。
用运动变化的观点研究问题是微积分的重要思想.
观察
给出 更多的值,利用计算工具计算对应的平均速度 的值。当 无限趋近于0时,平均速度 有什么变化趋势?
我们发现,当 无限趋近于0,即无论 从小于1的一边,还是从大于1的一边无限趋近于1时,平均速度 都无限趋近于-5.
事实上,由 可以发现,当 无限趋近于0时, 也无限趋近于0,所以 无限趋近于-5。这与前面得到的结论一致。数学中,我们把-5叫做“当 无限趋近于0时, 的极限”,记为
从物理的角度看,当时间间隔 无限趋近于0时,平均速度 就无限趋近于 时的瞬时速度.因此,运动员在 s时的瞬时速度
思考
(1) 求运动员在 时的瞬时速度;
(2) 如何求运动员从起跳到入水过程中在某一时刻 的瞬时速度?
练习
-
求问题 1 中跳水运动员在 时的瞬时速度.
-
火箭发射 s 后,其高度(单位:m)为 。求:
(1) 在 这段时间里,火箭爬高的平均速度;
(2) 发射后第 时,火箭爬高的瞬时速度.
- 一个小球从 的高处自由下落,其位移 (单位: )与时间 (单位:s)之间的关系为 求 时小球的瞬时速度.
问题 2 抛物线的切线的斜率
我们知道,如果一条直线与一个圆只有一个公共点,那么这条直线与这个圆相切。对于一般的曲线 ,如何定义它的切线呢?下面我们以抛物线 为例进行研究。
探究
你认为应该如何定义抛物线 在点 处的切线?
与研究瞬时速度类似,为了研究抛物线 在点 处的切线,我们通常在点 的附近任取一点 ,考察抛物线 的割线 的变化情况.
观察
如图5.1-1,当点 沿着抛物线 趋近于点 时,割线 有什么变化趋势?

利用信息技术工具,演示图 5.1-1 中 的动态变化趋势.
我们发现,当点 无限趋近于点 时,割线 无限趋近于一个确定的位置,这个确定位置的直线 称为抛物线 在点 处的切线.
探究
我们知道,斜率是确定直线的一个要素。如何求抛物线 在点 处的切线 的斜率 呢?
从上述切线的定义可见,抛物线 在点 处的切线 的斜率与割线 的斜率有内在联系。记 , 则点 P 的坐标是 。于是,割线 的斜率
① 可以是正值, 也可以是负值,但不为0.
我们可以用割线 的斜率 k 近似地表示切线 的斜率 ,并且可以通过不断缩短横坐标间隔 来提高近似表示的精确度,得到如下表格(表 5.1-2).
观察
利用计算工具计算更多割线 的斜率 的值,当 无限趋近于0时,割线 的斜率 有什么变化趋势?
我们发现,当 无限趋近于 0 时,即无论 x 从小于 1 的一边,还是从大于 1 的一边无限趋近于 1 时,割线 的斜率 k 都无限趋近于 2.
事实上,由 可以直接看出,当 无限趋近于0时, 无限趋近于2. 我们把2叫做“当 无限趋近于0时, 的极限”,记为