导数能不能通过除法 dy/dx 的求出?

关于导数、微分,我们写过相当多的文章:

但仍然有很多可以讨论的话题,比如,导数能不能通过除法\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}求出?这个答案非常明确,不能!

那为什么这个问题还值得讨论?主要是由于在微积分发展历史上符号混乱,导致同学们产生了误解,并且误解还被不断的强化:

  • 导数定义的时候,使用的符号\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}虽然不是除法,但看上去像除法
  • 在微分定义中,使用的符号\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}确实又是除法
  • 在一些求导法则中,用除法来理解确实可以得到正确的结果,但必须指出这种理解方式是一种歪打正着,在本质上是错误的

下面逐一来解释。

1 导数

先从导数的定义说起。已知某曲线y=f(x)以及x_0点:

马同学高等数学

如果想求该点导数的话,可以通过如下的极限式求出,并且在数学中一般用f'D来表示导数:

f'(x_0)=\left.D\Big(f(x)\Big)\right|_{x=x_0}=\lim_{x\to x_0}\frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}

f'D这两个符号有个问题,没有指明是对x求导(这点的重要性在本文后面计算链式法则时就可以看出),所以数学家又引入了如下的符号:

\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}y=\lim_{x\to x_0}\frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}

有时候为了写起来省事,上面符号又变为了:

\frac{\color{red}{\mathrm{d}}y}{\color{red}{\mathrm{d}x}}=\lim_{x\to x_0}\frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}

就是这种写法开始让同学有点混淆了,以为导数是除法\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}的结果。其实上述符号的红色部分应该看作整体,然后和y一起(即等号的左侧)代表了右侧的极限式。所以这里是不可能拆分出\mathrm{d}y\mathrm{d}x来,也就是导数不是由除法求出的。

2 微分

进一步的误解产生于微分的出现,本节就来解释下。如果将导数f'(x_0)当作斜率的话,就可以在x_0点求出用于近似曲线f(x)的切线g(x)(可以参考重新理解导数和微分):

马同学高等数学

该切线g(x)的方程为:

g(x)=f'(x_0)(x-x_0)+f(x_0)

在数学中因为种种原因(可以参考dx,dy是什么?),往往会在切点建立坐标系,横坐标记作\mathrm{d}x,纵坐标记作\mathrm{d}y。此时符号就开始混淆了,其实这里的\mathrm{d}y\mathrm{d}x和导数\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}毫无关系:

马同学高等数学

\mathrm{d}x\mathrm{d}y坐标系中,切线方程就非常简单了(其中\mathrm{d}x=x-x_0,关于这点也可以参考dx,dy是什么?):

\mathrm{d}y=f'(x_0)\mathrm{d}x

此时切线也被称为微分,并且可以推出:

\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=f'(x_0),\quad \mathrm{d}x\ne 0

在这里就产生了更大的混淆,仿佛导数f'(x_0)就是由\mathrm{d}y\mathrm{d}x相除得到的。但要注意这里的逻辑顺序:

先求出\ f'(x_0)\implies 再有微分中的\ \mathrm{d}y\ 和\ \mathrm{d}x\implies \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=f'(x_0)

反过来是不成立的。也就是说不可能通过\mathrm{d}y\mathrm{d}x相除求出导数f'(x_0),因为在两者相除之前f'(x_0)已经存在了。

3 导数和微分

综上,根据导数定义、微分定义分别可以得到:

\underbrace{\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}y=f'(x_0)}_{\large 导数定义},\quad \underbrace{\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=f'(x_0)}_{\large 微分定义}

两者看着非常相似,但从上面两节的分析可知,内涵完全不一样:


\begin{array}{c|c|c}
    \hline
    \quad\quad&\quad 导数\quad\quad&\quad 微分\quad \\
    \hline \\
    \quad 定义\quad & \quad \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}y=\displaystyle\lim_{x\to x_0}\frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0} \quad &\quad  \mathrm{d}y=f'(x_0)\mathrm{d}x\quad \\
    \\
    \quad 内涵\quad & \quad \begin{aligned}没有单独的\ \mathrm{d}x\ 和\ \mathrm{d}y\ \ \ \\f'(x_0)不是由除法求出的\end{aligned} \quad &\quad  \begin{aligned}有单独的\ \mathrm{d}x\ 和\ \mathrm{d}y\quad\ \  \\f'(x_0)可以表示为除法的结果\end{aligned}\quad \\
    \\
    \hline
\end{array}

但符号实在太接近了,造成了一定程度的混乱。

4 歪打正着

更深的误解来自于对求导法则的解读,本节会尽量去澄清这一点。

首先,我们要明确所有求导法则都是通过导数定义来推导的,比如下面这些常用法则。如果去翻看教科书会发现推导过程还是很复杂的:

  • 链式法则:

    \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}u}\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}x}

  • 反函数求导:

    \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=\frac{1}{\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}y}}

  • 参数方程求导:

    \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\cdot\frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{d}x}=\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t}\cdot\frac{1}{\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t}}

我相信很多同学也发现了,上面这些法则似乎可以通过微分定义来理解,并且还更简单、更符合直觉。这种理解方式是一种歪打正着,本质上是错误的,下面通过链式法则来分析下为什么。

4.1 链式法则

通过微分定义来理解链式法则,就是认为\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}u}是两个微分之商,所以似乎可以像下面这样来推导处链式法则:

\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=\frac{\mathrm{d}y}{\color{red}{\cancel{\mathrm{d}u}}}\frac{\color{red}{\cancel{\mathrm{d}u}}}{\mathrm{d}x}

比对一下教科书就知道这个过程是错误的,应该通过导数定义来推导。退一万步来说,就算可以通过微分定义来推导,但分母中的\mathrm{d}u\mathrm{d}y\mathrm{d}u坐标系中的横坐标,分子中的\mathrm{d}u\mathrm{d}u\mathrm{d}x坐标系中的纵坐标,两者的代数式并不一样,是没法约掉的。

举一个具体的例子,比如有:

y=f(u)=u^2,\quad u=g(x)=\sin x

两函数复合为:

f\Big(g(x)\Big)=(\sin x)^2=\sin^2 x

那么分母\mathrm{d}u\mathrm{d}y\mathrm{d}u坐标系的横坐标,因此:

\mathrm{d}u=u-u_0=\sin x-\sin x_0

而分子\mathrm{d}u\mathrm{d}u\mathrm{d}x坐标系中的纵坐标,因此:

\mathrm{d}u=g'(x_0)\mathrm{d}x=\cos x_0(x-x_0)

分母\mathrm{d}u和分子\mathrm{d}u都被换到用xx_0来表示,可以看出两者并不相等,所以是不可能约掉的。为了提醒自己,可以将链式法则写成导数形式:

\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}y=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}u}y\cdot\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}u\quad 或\quad \Big(f\big(g(x)\big)\Big)'=f'\Big(g(x)\Big)\cdot g'(x)

很显然,右边的表达式看上去更复杂,所以有时候不得不用左边的表达式,尽管会带来一些混淆。

4.2 二阶链式法则

你说,我非要按照微分观点来理解链式法则,反正这样也容易记,结果也是正确的。当然可以这么做,只是到了二阶链式法则,这样做就走不通了,会发生错误。

来算算二阶链式法则:


\begin{aligned}
    \frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}x^2}
        &=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right)\\
        &=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}u}\cdot\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}x}\right)\\
        &=\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}u}\right)\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}x}+\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}u}\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}x}\right) && 运用乘法法则\\
        &=\underbrace{\frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}u^2}\left(\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}x}\right)^2}_{\large 第一项}+\underbrace{\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}u}\frac{\mathrm{d}^2u}{\mathrm{d}x^2}}_{\large 第二项}
\end{aligned}

到目前为止一切都很好,继续往下化简就会出问题。上面等式最后有两项,第一项按照微分观点可以得到:


\frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}u^2}\left(\frac{\mathrm{d}u}{\mathrm{d}x}\right)^2=\frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}u^2}\frac{\mathrm{d}u^2}{\mathrm{d}x^2}=\frac{\mathrm{d}^2y}{\color{red}{\cancel{\mathrm{d}u^2}}}\frac{\color{red}{\cancel{\mathrm{d}u^2}}}{\mathrm{d}x^2}=\frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}x^2}

这很显然是错误的,否则就会推出第二项\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}u}\frac{\mathrm{d}^2u}{\mathrm{d}x^2}=0

5 微分方程

那有没有运用微分定义的地方?有的,就是微分方程。比如:

\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=2x\implies \mathrm{d}y=2x\mathrm{d}x\implies y=x^2+C

大家知道就行了,不再赘述。

6 总结

导数是不能通过除法\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}求出的。但由于微分的出现,又使用了相同的符号,造成了同学们的混淆。所以大家在运用导数定义、微分定义的时候,需要谨慎一些。

声明:原创内容,未授权请勿转载,内容合作意见反馈联系公众号: matongxue314
马同学高等数学
微信公众号:matongxue314
评论(4)马同学整理展示
喜羊羊王
导数又称微商,这种说法对吗?
  • 回复(1)
马同学
微分之商确实也是导数,但导数要由定义求出
  • 回复(0)
Star.D
导数是不能通过除法dydx求出的。深刻!
  • 回复(0)
商务192卢本伟
那个二阶链式法则第一项是不是多了个平方
  • 回复(1)
Star.D
这里的第一项也没看懂怎么推导出来的
  • 回复(0)
小独
太清楚了!解决了我的困惑
  • 4
  • 回复(0)