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1 (99 課綱 選修數學甲下冊第二章多項式函數的微積分 - 微分 目標 了解曲線 y = f( x 上某一點切線斜率的意涵,並能求多項式函數圖形的切線 再者,能了解函數在一點可微分及在區間上可微分的意涵,並能求簡單函數的導數及導函數,與了解函數可微分與連續的關係,並熟悉微分公式 討論 極限有兩個主要應用,一是求函數圖形的切線,另一是求函數圖形下的區域面積,此二者正是微積分所包含的微分與積分 ; 它們是互逆的兩種運算,往往必須合併一起研究,所以合稱為微積分在科學史上,微積分的創始一般都歸功於英國科學家牛頓 (Newto, 64~77 與德國數學家萊布尼茲 (Leibiz, 646~76 由於多項式函數是最基本的函數,本章將以多項式函數為對象作為研究的基礎,探討其圖形的變化情形與曲線下的面積,再進一步探究微積分所涉及的相關問題

2 討論 切線與導數 : 給定實函數 f 及其圖形上一點 P(a, b,其中 b= f( a,如何定義通過點 P 的切線呢? 首先,在圖形上點 P 的附近另取一點 Q(x, y,其中 x = a+, y = f( a+ ( 讀作 elta x 的值可正可負,以 > 為例,如圖 (a 中直線 PQ 是過點 P 的一條割線,其斜率為 m Q f ( a+ f( a = 接下來,讓點 Q 沿著 y = f( x 的圖形移動而趨近點 P,如圖 -(b,亦即讓 趨近於,如果對應的割線斜率 m Q 會趨近於一定數 m,我們就定義 m 為通過點 P 的切線斜率一般而言,給定實函數 f 圖形上的一點 P(a, f (a, f ( a+ f( a 若下列極限存在 : lim,則以此極限為斜率且通過 P 的直線 L 就稱為曲線 y = f( x 在點 P(a, f (a 的切線,而 P 稱為切線的切點 ; 此切 f ( a+ f( a 線的方程式為 y f( a = m( a,其中 m = lim 為切線的斜率 上面的描述方式,不僅對切線作更嚴謹的定義,同時也提供一種實際計算切線斜率的方法 在使用上,曲線 y = f( x 在點 (a, f(a 的切線斜率常有不同的表示方法,例如 : f ( a+ f( a f( a+ h f( a ( 若以變數 h 取代,則切線斜率 lim = lim h h f ( a+ f( a f( x f( a ( 若令變數 x = a+,則切線斜率 lim = lim x a a f ( x + f( x 對於實函數 f 由 x 到 x + 函數值的平均變化率,求其極 f ( x + f( x 限是微積分的主要概念之一,而其極限 lim 即為曲線 y = f( x 在點 (x, f (x 的切線斜率 ; 當此極限存在時,就定義此極限為函數 f 在 x = x 的導數

3 3 設實函數 f 的定義域包含一區間 (a, b,且 x (a, b,若曲線 y = f( x 在點 f ( x + f( x (x, f (x 的切線斜率 lim 存在,則稱 f 在 x = x 可微分,而 此斜率稱為 f 在 x = x 的導數,通常以 f 'x ( 表示, f ( x + f( x 即 f' ( x x 當 f 在區間 (a, b 上的每一點都可微分時,我們稱 f 在區間 (a, b 上可微分此外,導數 f 'x ( 也可以表成以下的極限形式 : f ( x + h f( x f ( x f( x f' ( x 或 f' ( x h h x x x 以函數 f ( x= ax + bx+ c 為例,它在 x = x 的導數可以計算如下 : f ( x f( x ( ax + bx+ c ( ax + bx + c f '(x = lim x x x x x x ax ( x( x+ x + bx ( x = lim = lim( ax ( + x + b = ax ( x x x x x + x + b= ax + b 4 由此可知 : 函數 f ( x= ax + bx+ c 在 R 上每一點的導數都存在,亦即 f 在 R 上的每一點都可微分 ; 特別地,當 a = 時,我們可以得到以下的結果 : ( 線型函數 f ( x= bx+ c 在任意一點的導數都是常數 b ( 常數函數 f ( x= c 在任意一點的導數都是 (3 直線 y = bx+ c 上任意一點的切線就是直線本身 3

4 討論 一元二次方程式 ax + bx + c = 有重根的充要條件是判別式 b 4ac =,在幾 何上的意義,就是 直線 y = ( 即 x 軸 為拋物線 y = ax + bx+ c 的一條切線,它們恰有一個交點在平面上,圓的切線都與圓恰交於一點,而與圓恰有一交點的直線都是圓的切線然而,對於一般的曲線,切線與曲線的交點可能不只一個,如圖 (a; 而與曲線恰有一交點的直線也可能不是切線,如圖 (b 關於拋物線 y = ax + bx+ c 的切線,以下我們要來驗證兩個幾何性質 : ( 對任意的實數 m,拋物線上恰有一條斜率 m 的切線 ( 拋物線的每一條切線與拋物線都恰有一交點 3 前面已經提過,函數 f ( x= ax + bx+ c 在 x = x 的導數為 f 'x ( = ax + b,亦 即拋物線 y = ax + bx+ c 在點 Px (, f( x 的切線斜率 m= ax + b 因 a, 給定實數 m,可以解得 x = ( m b 是唯一的,即切點 Px (, f( x 也是唯一 a 的因此,切線的方程式為 L: y f( x = ( ax + b( x 另一方面,令 y = ( ax + b( x + f( x 代入拋物線方程式 y = ax + bx+ c,即 ( ax + b( x x + f ( x = ax + bx + c, ( ax + b( x x + ( ax + bx + c ( ax + bx + c =, ( ax + b( x x ( ax + ax + b( x x =, ax ( x =,所得的解 x = x ( 重根 是唯一的,這表示通過點 Px (, f( x 的切線 L 與拋物線恰有一交點,此交點就是切點 Px (, f( x 4 從上面的論述,我們已經知道 : 拋物線 y = ax + bx+ c 上,任意一點為切點的切線都存在,而且是唯一的那麼, 過不在拋物線上一點的切線是否也是唯一的? 4

5 討論 了解導數與切線的關係之後,我們或許會問 : 導數存在與函數的連續性是否有關呢? 首先,以函數 f ( x = x 為例, f 在 R 上每一點都連續,當然在 x = f ( x f( x 連續 ; 但極限 lim = lim 不存在,因此,函數 f 在 x = 的導數不 x x x x 存在,亦即 f 在 x = 不可微分一般而言,函數 f 在 x = x 連續,未必在 x = x 可微分反之,當函數 f 在 x = x 可微分時,就必定在 x = x 連續,其理由如下 : f ( x f( x 因為 f 在 x = x 可微分,導數 f' ( x 存在,又極限 x x x lim( x = 也存在,故由極限的加法及乘法運算性質,可得 : x x f( x f( x lim f ( x( ( x + f( x x x x x f( x f( x = x x + f x lim( lim( ( x x x x x = f '( x + f( x = f( x, 因此, f 在 x = x 連續 可微分與連續的關係 : 若函數 f 在 x = x 可微分,則 f 在 x = x 連續 ( 反之不一定成立 5

6 討論 微分的運算 : 給定實函數 f,當 f 在 x = x 可微分時, f 在 x = x 的導數為 f ( x + h f( x f' ( x, h h 當把 x 看成一個變數時, f ' 也是一個函數,稱為 f 的導函數, f ( x+ h f( x 即 f' ( x, h h 其定義域為 {c f 在 x = c 可微分 }我們也常用 y = f( x 時,導函數 f ' 也可以表示為 y' 或 y f 來表示 f 的導函數當 如果 f ' 的導函數也存在,則此導函數可記為 f '',也可以記為 f ' 或 f 或 y y'' 或這時, f ' 及 f '' 分別稱為 f 的第一階導函數及第二階導函數例 如 : 二次函數 f ( x= ax + bx+ c 的第一階導函數及第二階導函數分別為 f 'x ( = ax+ b, f ''( x = a (3 仿此,我們可以定義 f 的第三階導函數 f ''' 或記為 f,而一般的第 階導函 ( 數可記為 f 當 f 'x ( 存在時,導數 f 'x ( 就是函數 y = f( x 圖形上,以 ( x, f ( x 為切點的切線斜率在運動學上,當 f ( x 表示運動質點在時刻 x 時的位置函數,則 f ( x f( x 此質點從時刻 x 到 x 的時段內之平均速度為因此,當極限 x f ( x f( x lim 存在時,此極限就是質點在時刻 x 的瞬時速度 ; 換言之, x x x f 'x ( 就表示運動質點的 ( 瞬時 速度 f 'x ( f'x ( 3 第二階導數 f ''( x 的物理意義又是什麼呢? 比值表示質點從時 x f 'x ( f'x ( 刻 x 到 x 的時段內之平均加速度,因此, f'' ( x 就是質點 x x x 在時刻 x 的瞬時加速度這也是科學家牛頓為了探討運動質點的瞬時速度及瞬時加速度,而引進導數概念的原因之一 6

7 性質 微分公式一 : 若函數 f 與 g 可微分,則 f + g 也可微分,且 ( f + g' = f' + g' 證明 : 若 f 與 g 在 x = x 可微分,則由極限的加法運算性質,可得 ( f ( x + g( x ( f( x + g( x f ( x f( x g( x g( x ( f + g ( ' x = lim( + x x x x x x x f ( x + f( x g( x + g( x = lim + lim = f 'x ( + g'x ( = ( f' + g' ( x x x x x x x 微分公式二 : 若函數 f 與 g 可微分,則 fg 也可微分,且 ( fg ' = f'g+ fg' 證明 : 若 f 與 g 在 x = x 可微分,則 f 與 g 在 x = x 都連續,因此, lim f ( x = f( x 且 lim gx ( = gx ( 再由導數的定義及極限的運算性質,可得 x x f ( xgx ( f( x gx ( ( fg ( ' x x x x f ( x g( x f( x g( x f( x g( x f( x g( x = lim( + x x x x f ( x f( x g( x g( x = lim( gx ( + lim( f( x x x x x x x f ( x f( x g( x g( x = lim lim gx ( + f( x lim x x x x x x x x = f 'x ( gx ( + f( x g'x ( = ( f'g+ fg' ( x 3 在微分公式二中,若 f 可微分,而 g( x= c 是常數函數,則 cf 也可微分,且 ( cf ' = cf ' 若 f 與 f 都可微分,且 c, c 都是實數,則 cf + cf 也可微分,且 ( cf + cf ' = cf' + cf' 更進一步的推導,可得 : 4 微分公式三 ( 線性組合 : 若函數 f, f,, f 都可微分,且 c, c,, c 都是實數,則 cf + cf + L + cf 也可微分,且 ( cf+ cf+ Lcf ' = cf' + cf ' + L+ cf ' k 5 多項式函數 f ( x = ax + a x + L + ax + ax+ a 是 + 個單項式 x 的線性組合,其中 k =,,,, 因此,要求其導函數 f ',只要能求出單項 k 式 x 的導函數即可 當 k = 時, x = = ( x 表示常數函數 當 k = 時, x = 當 k = 時, x = x 當 k = 3時, x 3 = 3 x x x 7

8 6 單項式函數 x 的導函數 : 若 為正整數,則 x = x 證明 : 利用數學歸納法,證明如下 : 當 = 時,顯然成立 k k 當 = k 時,假設 x = kx 成立 ; 則當 = k + 時,由微分公式二,可得 k+ k k k k k k x = ( x x = ( x x+ x x= kx x+ x = ( k + x 故由數學歸納法可知 : 對每一正整數, x = x 7 多項式函數的導函數 : 實係數多項式函數 f ( x = ax + a x + L + ax + ax+ a ( a, 為正整 數 在 R 上可微分,且其導函數為 f 'x ( = ax + ( a x + L + ax + a 證明 : f 'x ( = ( ax + ( a x + L + ( ax + ( ax + a = a x + a x + L + a x + a x+ a = ax + ( a x + L + ax + a 8 事實上,多項式函數 f 的導函數 f ' 仍是多項式函數,次數比原多項式函數 f k 少 次,而 x 項之係數為 ( k + a k + 由此可得: 多項式函數在 R 上可微分,其每一階導函數都存在,且都是多項式函數在微分公式二中,若 g = f,則可推得 ( f ( x = ( f( x f( x ' = f 'x ( f( x + f( x f'x ( = f ( x f' ( x 同樣地, 3 ( f ( x = (( f( x f( x ' = ( f ( x f' ( x f( x + ( f( x f' ( x = 3( f ( x f' ( x 利用數學歸納法,也不難證明以下一般的微分公式 : 9 函數 ( f ( x 的導函數 : 若 f 為多項式函數, 為正整數,則 ( f ( x 可微分,且 ( f ( x = ( f( x f' ( x 可微分函數必定連續,但連續函數不一定可微分 問題 我們已經知道,如何求多項式函數 f 的導函數 f ' ; 反過來,如果知道 f 的導函數 f ',那麼,是否可以回頭求出函數 f 呢? 8

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. 雙曲線 y + y = 0 兩頂點的距離為何? 6 6. 若 log ( ) = + log, 則 =? 或 +. 若 f ( ) =, 且 f ( a) = f ( b) =, 則 f ( a + b) =? 6 8 =. 求 log ( + + )? π 6. 設 0 < θ <, 且 si 00 學年度四技新生基礎數學第一次測驗. 已知 f () 為一實係數多項式, 且 f ( ) =, f ( ) = 8 若 f () (6 + ) 的餘式為 a + b, 則 b a =? 8 6 0. 若 α, β 為方程式 + = 0 的兩根, 則 ( + )( + ) =? α β 9. 求 + + 9 =? 8. 若 + = + A B + C + D +, 則 A + B + C + D

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