導數是什麼;極限與連續
導數有兩個看法:圖形上,它是切線的斜率;物理上,它是瞬間的變化率。這一頁從「機器要怎麼畫切線」出發,得到導數的定義,用它算出 \(1/x\) 和 \(x^n\) 的導數;接著把定義裡藏著的「極限」講清楚:左右極限、連續,以及函數不連續的四種樣子。
讀完這頁你應該能夠
- 說明切線為什麼是「割線的極限」,而不是「只碰到曲線一次的直線」。
- 寫出導數的定義 \(f'(x_0) = \lim_{\Delta x\to0}\frac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x}\),並說明為什麼不能直接代 \(\Delta x = 0\)。
- 用定義算出 \(\frac{d}{dx}\frac1x = -\frac1{x^2}\) 和 \(\frac{d}{dx}x^n = nx^{n-1}\),說出 \(O(\Delta x^2)\) 是什麼意思。
- 區分平均變化率和瞬間變化率,並用 \(\Delta L\approx\frac{dL}{dh}\Delta h\) 估計量測誤差的影響。
- 算左極限、右極限,用三個條件判斷函數在一點是否連續,認出跳躍、可移除、無窮、震盪四種不連續。
- 證明「可微就連續」,並舉出連續但不可微的例子。
前置知識檢查
這一頁只用到高中代數。下面四題如果有一題卡住,先複習那一項再往下讀。
1. 通過點 \((2, 5)\)、斜率 \(3\) 的直線方程式是什麼?
2. 把 \(\frac{1}{3.1} - \frac13\) 通分成一個分數。
3. 展開 \((x + h)^2\) 和 \((x + h)^3\)。
4. \(f(x) = x^2 + 1\),\(f(a + 1)\) 是什麼?
00怎麼讀這一頁、素材對照
這一頁對應 18.01 的前兩堂課。建議的讀法:先看完 Lec 1,讀第 1–6 節;再看 Lec 2,讀第 7–14 節。每節標題旁的時間戳會跳到影片的那一段。
- 綠線框起來的「手算」,拿紙筆跟著算一次。
- 每個 demo 前面都寫了要看什麼:先猜結果,再動手拖。
- 每節最後有一句話摘要和小練習。答得出來再往下讀。
| 素材 | 對應內容 |
|---|---|
| 18.01 錄影(Jerison,2007) | Lec 1 導數的幾何意義、\(1/x\)、\(x^n\);Lec 2 變化率、極限、連續 |
| 18.01 講義(2006) | Lecture 1、Lecture 2;補充 notes C〈Continuity and Discontinuity〉(離線包 Course/static_resources/lec1.pdf、lec2.pdf、c_cntnt_dscntnt.pdf) |
| 18.01SC session 1–5 | 每個 session 的 notes,以及 worked examples:割線與切線、\(|x|\) 的導數、帳戶餘額、連續但不平滑、極限與不連續(自我測驗用到其中幾題) |
| Strang Highlights of Calculus(RES.18-005) | 短片 Big Picture of Calculus、Big Picture: Derivatives、Limits and Continuous Functions |
| Strang Calculus(RES.18-001) | 第 1–2 章 |
2006 講義第 2 講最後的兩個三角極限 \(\lim\frac{\sin\theta}{\theta} = 1\)、\(\lim\frac{1-\cos\theta}{\theta} = 0\),影片到 Lec 3 才證明,所以放在第 02 頁。
01切線問題:畫得出來,但機器要怎麼畫? 3:50
為什麼需要它
Jerison 在黑板上畫了一條曲線,挑一點 \(P\),隨手就畫出切線。他問:我是怎麼做到的? 人可以「看」出來,但我們要的是一個機器也能照做的方法:給一個公式 \(f(x)\) 和一個點 \(x_0\),算出切線。
直線的方程式是 \(y - y_0 = m(x - x_0)\)。要寫出切線,需要兩樣東西:
- 點:\(y_0 = f(x_0)\)。把 \(x_0\) 代進公式就有,不需要微積分。
- 斜率:\(m\)。這是微積分的部分,稱為 \(f\) 在 \(x_0\) 的導數,記作 \(f'(x_0)\)。
切線不是「只碰一次的線」
高中常說切線是「和曲線只交一點的直線」。這個說法不對:曲線可以彎來彎去,切線可以在別處再穿過曲線好幾次;反過來,一條很陡的直線可能只碰一次卻不是切線。9:53
真正的定義是:在曲線上另取一點 \(Q\),連成割線 \(PQ\)。讓 \(Q\) 沿著曲線往 \(P\) 靠近,割線會轉動,最後停在一個位置,那就是切線。10:23
$$\text{切線} = \lim_{Q\to P}\ \text{割線 } PQ$$02差商:割線的斜率,以及導數的定義 12:27
把 \(P\) 和 \(Q\) 的座標寫出來。\(P\) 在 \(x_0\) 上方,\(Q\) 往右移了水平距離 \(\Delta x\)(讀作 delta x,「\(x\) 的改變量」):
- \(P = (x_0,\ f(x_0))\)
- \(Q = (x_0 + \Delta x,\ f(x_0 + \Delta x))\)
垂直方向的差是 \(\Delta f = f(x_0+\Delta x) - f(x_0)\)。割線的斜率是「高除以底」:
$$\frac{\Delta f}{\Delta x} = \frac{f(x_0+\Delta x) - f(x_0)}{\Delta x}$$這個式子叫差商(difference quotient):分子是兩個函數值的差,分母其實也是差(右邊的 \(x\) 減左邊的 \(x\))。讓 \(Q\to P\),就是讓 \(\Delta x\to0\):
Jerison 把這個式子框起來,說它是這堂課「by far the most important formula」,後面幾乎所有公式都從它推出來。16:19
Demo 1 · 割線怎麼變成切線
- 把 \(\Delta x\) 從 1 慢慢拉向 0,看割線(橙)怎麼轉到切線(藍虛線)的位置,讀數裡的差商怎麼逼近 \(f'(x_0)\)。
- \(\Delta x\) 拉到負的,割線從左邊靠過來,最後停在同一條切線上。
- 下圖是導數函數 \(f'(x)\)。藍點是切線斜率,空心橙點是目前割線的斜率。拖 \(x_0\),看藍點描出整條 \(f'\)。
- 選「0.5x³ − x」,比較 \(x_0 = -0.75\)、\(0\)、\(0.75\) 三處:要讓差商離切線斜率不到 0.1,\(\Delta x\) 各要多小?(18.01SC session 1 的例題)
Demo 裡的 18.01SC 例題:\(f(x) = 0.5x^3 - x\),要讓差商離切線斜率不到 0.1,\(x_0 = 0\) 和 \(x_0 = \pm0.75\) 各需要多小的 \(\Delta x\)?
小練習:在 Demo 1 選 x²、\(x_0 = 1\)。\(\Delta x = 0.5\) 和 \(\Delta x = -0.5\) 時差商各是多少?兩者的平均是多少?
03例一:\(1/x\) 的導數 17:06
\(f(x) = \frac1x\)。把它代進差商:
$$\frac{\Delta f}{\Delta x} = \frac{\dfrac{1}{x_0+\Delta x} - \dfrac{1}{x_0}}{\Delta x}$$如果現在就令 \(\Delta x = 0\),分子 \(\frac1{x_0} - \frac1{x_0} = 0\),分母也是 0,得到 \(\frac00\),什麼都看不出來。導數永遠會遇到這個情況,所以一定要先做代數化簡,讓分母的 \(\Delta x\) 消掉。20:44
化簡分兩步。第一步,把 \(\frac{1}{\Delta x}\) 提到前面,括號裡兩個分數通分:
$$\frac{\Delta f}{\Delta x} = \frac{1}{\Delta x}\left[\frac{x_0 - (x_0+\Delta x)}{(x_0+\Delta x)\,x_0}\right] = \frac{1}{\Delta x}\left[\frac{-\Delta x}{(x_0+\Delta x)\,x_0}\right]$$第二步,分子的 \(-\Delta x\) 和前面的 \(\frac1{\Delta x}\) 消掉:
$$\frac{\Delta f}{\Delta x} = \frac{-1}{(x_0+\Delta x)\,x_0}$$現在可以令 \(\Delta x\to0\) 了,分母不再是 0:
$$f'(x_0) = \lim_{\Delta x\to0}\frac{-1}{(x_0+\Delta x)\,x_0} = -\frac{1}{x_0^2}$$\(x_0 = 3\)。課堂上有學生問最後一步的極限怎麼來,Jerison 就代 \(x_0 = 3\):分母是 \((3 + \Delta x)\cdot3\),\(\Delta x\) 越來越小,分母趨近 9,所以極限是 \(-\frac19\)。23:26
| \(\Delta x\) | 差商 \(\frac{-1}{(3+\Delta x)\cdot3}\) | 和 \(-1/9\) 的差 |
|---|---|---|
| 0.1 | −0.107527 | 0.003584 |
| 0.01 | −0.110742 | 0.000369 |
| 0.001 | −0.111074 | 0.000037 |
\(\Delta x\) 每縮小 10 倍,差距也大約縮小 10 倍。
合理性檢查 21:52:\(-1/x_0^2\) 永遠是負的,對應雙曲線一路往下坡;\(x_0\) 越大,斜率的絕對值越小,對應曲線越往右越平。算完一個導數,先用圖形檢查正負和趨勢,是很好的習慣。
小練習:用同樣的方法算 \(f(x) = \frac{1}{x+1}\) 在 \(x_0\) 的導數。
04「把微積分變難」:切線三角形的面積永遠是 2 25:39
Jerison 說微積分名聲不好,是因為題目通常包在情境裡:微積分本身只是一小步,其他都是高中代數和幾何。他用一題示範:\(y = 1/x\) 在第一象限的切線,和兩軸圍成的三角形,面積是多少? 26:39
- 唯一的微積分步驟:切線。在 \((x_0, y_0)\),\(y_0 = \frac1{x_0}\),斜率是上一節的 \(-\frac1{x_0^2}\): $$y - y_0 = -\frac{1}{x_0^2}(x - x_0)\qquad(\star)$$
- \(x\) 截距:令 \(y = 0\):\(-\frac1{x_0} = -\frac{x}{x_0^2} + \frac1{x_0}\),移項得 \(\frac{x}{x_0^2} = \frac2{x_0}\),所以 \(x = 2x_0\)。
- \(y\) 截距:\(y = 1/x\) 和 \(x = 1/y\) 是同一條曲線,把 \(x\)、\(y\) 互換,圖形不變。所以由對稱,\(y\) 截距是 \(2y_0\)。不放心的話,在 \((\star)\) 令 \(x = 0\) 算一次。34:27
- 面積:\(\frac12(2x_0)(2y_0) = 2x_0y_0 = 2x_0\cdot\frac1{x_0} = 2\)。和切點在哪裡無關。40:33
Demo 2 · 切線三角形
同一個字母,兩種意思
Jerison 特別指出這題裡藏著一個「刻意的草率」。38:00 第一次用 \(y\) 時,它是曲線 \(y = 1/x\) 上的點;求 \(x\) 截距時令 \(y = 0\),這時的 \(y\) 是切線上的點,代的是 \((\star)\) 不是 \(y = 1/x\)。同一個字母在計算中途換了角色。這樣寫比較省事,大家都這樣做,但要清楚每一步代的是哪一條線的方程式,否則很容易代錯。
05記號:Newton 和 Leibniz 41:41
\(y = f(x)\) 時,\(\Delta y\) 和 \(\Delta f\) 是同一件事。導數有好幾種寫法,意思完全一樣:
| 寫法 | 來源 | 注意 |
|---|---|---|
| \(f'(x_0)\)、\(y'\) | Newton | 寫出了在哪一點算 |
| \(\frac{df}{dx}\)、\(\frac{dy}{dx}\)、\(\frac{d}{dx}f\) | Leibniz | 沒寫出在哪一點,要從上下文判斷 |
Leibniz 的寫法像一個分數 \(\frac{\Delta y}{\Delta x}\) 取極限,提醒你它是「\(y\) 的變化除以 \(x\) 的變化」。後面學 chain rule 時,這個「像分數」的特性會很方便。
06例二:\(x^n\) 的導數,以及「垃圾項」 43:48
\(f(x) = x^n\),\(n = 1, 2, 3, \ldots\)。這次把 \(x_0\) 直接寫成 \(x\)(Jerison 說是為了省黑板):把 \(x\) 想成固定,只有 \(\Delta x\) 在動。
$$\frac{\Delta f}{\Delta x} = \frac{(x+\Delta x)^n - x^n}{\Delta x}$$需要知道 \((x+\Delta x)^n\) 展開後長什麼樣子。它是 \(n\) 個 \((x + \Delta x)\) 相乘,每個括號挑 \(x\) 或 \(\Delta x\):
- 全部挑 \(x\):一項 \(x^n\)。
- 剛好一個括號挑 \(\Delta x\)、其他挑 \(x\):有 \(n\) 種挑法,每種都是 \(x^{n-1}\Delta x\),合起來 \(nx^{n-1}\Delta x\)。
- 挑兩個以上的 \(\Delta x\):每項至少帶 \((\Delta x)^2\)。全部收成一包,記作 \(O(\Delta x^2)\)。
\(O(\Delta x^2)\) 讀作「\((\Delta x)^2\) 量級的東西」:一堆帶著 \((\Delta x)^2\)、\((\Delta x)^3\)……的項,我們不在乎它們的係數。代回差商:
$$\frac{\Delta f}{\Delta x} = \frac{x^n + nx^{n-1}\Delta x + O(\Delta x^2) - x^n}{\Delta x} = nx^{n-1} + O(\Delta x)$$除掉一個 \(\Delta x\) 之後,垃圾項還帶著至少一個 \(\Delta x\),所以 \(\Delta x\to0\) 時它消失。Jerison:「in math, junk is something that goes away」。49:26
\(n = 3\),\(x = 2\),公式給 \(3\cdot2^2 = 12\)。用 \(\Delta x = 0.1\) 算差商:\(\frac{2.1^3 - 8}{0.1} = \frac{9.261 - 8}{0.1} = 12.61\)。
多出來的 0.61 就是垃圾項:\((x+\Delta x)^3\) 展開後除以 \(\Delta x\),剩下 \(3x\Delta x + \Delta x^2 = 0.6 + 0.01 = 0.61\)。\(\Delta x = 0.01\) 時它變成 \(0.0601\),大約縮小 10 倍,所以寫成 \(O(\Delta x)\)。
推廣到多項式 49:56:每一項分開微分、常數倍照抄,例如 \(\frac{d}{dx}(x^3 + 5x^{10}) = 3x^2 + 50x^9\)。(為什麼可以分開微分,下一頁會講。)
課後有學生問:二項式定理是不是只在 \(\Delta x\to0\) 時才成立?Jerison 回答:不是,二項式定理是對任何數都成立的完整公式,連垃圾項的係數都寫得出來;只是這裡不需要它們。50:27
小練習:\(n = 0\) 和 \(n = -1\) 時,\(nx^{n-1}\) 給出什麼?和你知道的結果一致嗎?
07導數是變化率:南瓜落下 Lec 2 2:14
Lec 2 換一個看法。把差商 \(\frac{\Delta y}{\Delta x}\) 看成平均變化率:\(x\) 是時間的話,它就是這段時間內的平均速度。取極限 \(\frac{dy}{dx}\),就是瞬間變化率。
| 量 | 變化率 |
|---|---|
| 電荷 \(q\) | \(\frac{dq}{dt}\) = 電流 |
| 距離 \(s\) | \(\frac{ds}{dt}\) = 速度 |
| 溫度 \(T\)(隨位置 \(x\)) | \(\frac{dT}{dx}\) = 溫度梯度(預報天氣時很重要:溫差造成氣流)12:13 |
MIT 的萬聖節傳統是從教室所在的大樓頂樓丟南瓜。Jerison 把樓高簡化成 80 公尺(實際約 300 英尺),高度是 6:55
$$h(t) = 80 - 5t^2\quad(\text{公尺,}t\text{ 是秒})$$\(t = 0\) 在頂樓;\(t = 4\) 時 \(5\cdot4^2 = 80\),落地。
平均速度(整段 0 到 4 秒):\(\frac{\Delta h}{\Delta t} = \frac{0 - 80}{4 - 0} = -20\) 公尺/秒。負號代表往下。8:32
落地瞬間的速度:\(h'(t) = 0 - 5\cdot2t = -10t\)(常數的導數是 0,\(t^2\) 的導數是 \(2t\)),所以 \(h'(4) = -40\) 公尺/秒,是平均速度的兩倍,約時速 90 英里。10:38
用越來越短的最後一段時間算平均速度,會逼近 \(-40\):
| 時間區間 | \(h\) 的變化 | 平均速度 |
|---|---|---|
| [3, 4] | 35 → 0 | −35 |
| [3.9, 4] | 3.95 → 0 | −39.5 |
| [3.99, 4] | 0.3995 → 0 | −39.95 |
在 Demo 1 選「h(t) = 80 − 5t²」、把 \(x_0\) 拉到 4,就能看到這個過程。觀眾真正在乎的是落地瞬間有多快,不是平均速度,這正是導數回答的問題。
2006 年的講義用英制:樓高 400 英尺,\(y = 400 - 16t^2\),5 秒落地,平均 80 英尺/秒、落地 −160 英尺/秒(約時速 110 英里)。數字不同,結論一樣:落地速度是平均速度的兩倍。
08量測的敏感度:誤差會被放大多少 12:43
變數不一定是時間。Jerison 用 GPS 的簡化模型(「平地球」,第一次作業的題目):衛星正下方的地面點已知,你和衛星的距離 \(h\) 用無線電訊號量出來,系統再從 \(h\) 推算你離那個地面點多遠,記作 \(L\)。
\(h\) 的量測一定有誤差 \(\Delta h\)(主要來自電離層)。問題是:\(L\) 會跟著錯多少?把差商反過來用:
$$\frac{\Delta L}{\Delta h}\approx\frac{dL}{dh}\quad\Longrightarrow\quad\Delta L\approx\frac{dL}{dh}\,\Delta h$$導數是「放大倍數」:\(h\) 錯 1 公尺,\(L\) 大約錯 \(\frac{dL}{dh}\) 公尺。Jerison 說這類計算每天都用在讓飛機降落。16:04
平地球模型是一個直角三角形:衛星高度 \(s\)、斜邊 \(h\)、底邊 \(L = \sqrt{h^2 - s^2}\)。取 \(s = 4\),用差商估計導數:
| 情況 | \(h \to h + 0.01\) | \(L\) 的變化 | \(\frac{\Delta L}{\Delta h}\) |
|---|---|---|---|
| 離得遠 | 5 → 5.01 | 3 → 3.01664 | ≈ 1.66 |
| 幾乎在正下方 | 4 → 4.01 | 0 → 0.28302 | ≈ 28.3 |
人幾乎在衛星正下方時,\(h\) 的一點點誤差會讓 \(L\) 錯 28 倍。精確的 \(\frac{dL}{dh}\) 要用下一頁的 chain rule 才算得出來,但差商已經告訴我們放大倍數大概多少。
09極限:好算的極限,以及導數永遠是 0/0 18:09
導數的定義裡有極限,現在把極限講清楚一點。
好算的極限:直接代入就好。例如 18:40
$$\lim_{x\to4}\frac{x+3}{x^2+1} = \frac{4+3}{4^2+1} = \frac{7}{17}$$導數的極限永遠不好算:把定義寫成 \(\lim_{x\to x_0}\frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}\),直接代 \(x = x_0\) 一定得到 \(\frac00\)。所以一定需要某種消去(第 3、6 節做的就是這件事)。20:13
關鍵是:\(x\to x_0\) 的極限,從來不看 \(x = x_0\) 那一點,只看 \(x\) 靠近但不等於 \(x_0\) 時函數往哪裡去。這一點在第 11 節(連續)和第 14 節(證明)都會用到。
10左極限與右極限 21:20
- 右極限 \(\lim_{x\to x_0^+}f(x)\):只從右邊靠近(\(x > x_0\))。
- 左極限 \(\lim_{x\to x_0^-}f(x)\):只從左邊靠近(\(x < x_0\))。
一般的(雙邊)極限存在,若且唯若左右極限都存在而且相等。
Lec 2 的例子 23:25:
$$f(x) = \begin{cases}x + 1, & x > 0\\ -x + 2, & x < 0\end{cases}$$- 右極限:從右邊來用 \(x + 1\),\(\lim_{x\to0^+}(x+1) = 1\)。
- 左極限:從左邊來用 \(-x + 2\),\(\lim_{x\to0^-}(-x+2) = 2\)。
兩個不相等,所以 \(\lim_{x\to0}f(x)\) 不存在。注意整個計算沒有用到 \(f(0)\),題目甚至沒有定義 \(f(0)\)。25:31 如果補上 \(f(0) = 1\)(實心點畫在右邊那段),\(f(0)\) 就剛好等於右極限。
11連續的定義 27:13
這一行其實包含三個條件:
- 極限存在:左極限、右極限都存在,而且相等。
- \(f(x_0)\) 有定義。
- 兩者相等。
這個定義看起來像廢話(「靠近時的值等於那一點的值」),但它不是,因為左邊的極限是不看 \(x_0\) 那一點算出來的,右邊卻只看那一點。兩個獨立算出來的數相等,才是連續。連續的函數正好就是「極限可以直接代入」的那種:第 9 節的「好算的極限」。29:50
12不連續的四種樣子 30:54
Jerison 帶大家參觀不連續函數的「動物園」。對照上一節的三個條件,看每一種是哪個條件壞掉:
| 種類 | 左右極限 | 例子 |
|---|---|---|
| 跳躍 | 都存在,但不相等 | 第 10 節的分段函數(左 2、右 1) |
| 可移除 | 都存在而且相等,但 \(f(x_0)\) 沒定義或值不對 | \(\frac{\sin x}{x}\)、\(\frac{1-\cos x}{x}\) 在 0 |
| 無窮 | 至少一邊是 \(\pm\infty\) | \(\frac1x\) 在 0 |
| 其他(醜的) | 至少一邊根本不存在,連 \(\pm\infty\) 都不是 | \(\sin\frac1x\) 在 0 |
- 跳躍:看起來很技術性,但 Jerison 舉了 MIT 教授 Robert Merton 的例子:他在得到諾貝爾經濟學獎的工作裡,就認真處理了股價模型是「從左邊連續」還是「從右邊連續」。時間上左邊是過去、右邊是未來,差別很大。32:02
- 可移除:圖上只缺一個洞,把那一點補上(或改成)極限值,就變連續。\(\lim_{x\to0}\frac{\sin x}{x} = 1\)、\(\lim_{x\to0}\frac{1-\cos x}{x} = 0\) 現在還沒證明,下一頁才證。學生問為什麼,Jerison 說:如果你不覺得意外,那才奇怪。36:30
- 無窮:\(\lim_{x\to0^+}\frac1x = +\infty\),\(\lim_{x\to0^-}\frac1x = -\infty\)。這時寫「\(\lim_{x\to0}\frac1x = \infty\)」是錯的,不只是草率:兩邊去的方向相反。Jerison 的比喻:正無窮是無限多的錢,負無窮是無限多的債。39:16
- 醜的:\(\sin\frac1x\) 在 0 附近無限次上下震盪,左右極限都不存在。這門課不會處理它們。43:33
Demo 3 · 從左右兩邊靠近
- 把「距離 δ」往右拉(δ 越來越小),橙點從左邊、藍點從右邊靠近 \(x = 0\)。看讀數裡兩邊的函數值往哪裡去。
- 「跳躍」:兩邊各自停在一個數,但不是同一個。「可移除」:兩邊停在同一個數,那一點卻是空心的洞。
- 「無窮」:一邊衝向 \(+\infty\)、一邊衝向 \(-\infty\)。「sin(1/x)」:δ 再小,數值還是亂跳。
- 「|x|」是連續的;它的毛病在導數,第 14 節會用到。
小練習:\(f(x) = \frac{x^2-1}{x-1}\) 在 \(x = 1\) 是哪一種不連續?怎麼修好?
13導數的圖,長得不像原函數 40:21
把 \(f(x) = \frac1x\) 和 \(f'(x) = -\frac1{x^2}\) 上下畫在一起:\(f\) 在右半邊是正的、往下走;在左半邊是負的、也往下走。\(f'\) 則兩邊都是負的,在 0 附近衝向 \(-\infty\)。
這看起來很怪,但導數記錄的是斜率,不是高度。左半邊的 \(1/x\) 從接近 0 的地方一路往下掉到 \(-\infty\),一直在下坡,而且越靠近 0 越陡,所以斜率是負的、越來越負。右半邊也在下坡,只是越往右越平。兩邊的斜率都是負的,所以 \(f'\) 整條都在橫軸下方。Jerison 的提醒:「The derivative function looks nothing like the function, necessarily.」40:51 在 Demo 1 選 1/x 或 0.5x³ − x,拖動 \(x_0\),看下圖的藍點怎麼描出 \(f'\)。
順帶一提:\(\frac1x\) 是奇函數(\(f(-x) = -f(x)\)),它的導數 \(-\frac1{x^2}\) 是偶函數。奇函數的導數一定是偶函數,反過來也一樣。42:31
14可微就連續 45:10
下一頁證明乘積規則和商規則時要用到它。證明只有一行。
證明
要證的是 \(\lim_{x\to x_0}f(x) = f(x_0)\),等價於 \(\lim_{x\to x_0}\bigl(f(x) - f(x_0)\bigr) = 0\)。把它乘以再除以 \((x - x_0)\):
$$\lim_{x\to x_0}\bigl(f(x)-f(x_0)\bigr) = \lim_{x\to x_0}\frac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}\cdot(x-x_0)$$第一個因子的極限是 \(f'(x_0)\)(這就是可微的假設),第二個因子的極限是 0。所以整個極限是 \(f'(x_0)\cdot0 = 0\)。證畢。
可疑的地方 48:19:乘以再除以 \((x - x_0)\),看起來像是乘以 \(\frac00\)。但第 9 節說過,\(x\to x_0\) 的極限從來不看 \(x = x_0\) 那一點,所以 \(x - x_0\) 雖然很小,卻永遠不是 0,這一步完全合法。
反過來不對
連續不一定可微。\(f(x) = |x|\) 在 0 連續(Demo 3 選 |x|),但差商在右邊是 \(\frac{|\Delta x|}{\Delta x} = 1\)、在左邊是 \(-1\),左右不相等,所以 \(f'(0)\) 不存在:圖形在 0 有一個尖角。18.01SC session 2 的例題問的就是這件事;notes C 也指出,\(|x|\) 連續,但它的導數在 0 有跳躍不連續。
15在 deep generative models 哪裡用到
| 這一頁 | 在 DGM 的樣子 |
|---|---|
| 導數 = 斜率 = 變化率 | 梯度是多變數版本;score \(\frac{d}{dx}\log p(x)\) 是 log 密度的斜率,指向機率變大的方向。見補充課 A §02 |
| 差商 \(\frac{f(x+h)-f(x)}{h}\) | 檢查梯度程式有沒有寫錯的標準做法(gradient check)就是拿差商和自動微分的結果比對 |
| \(\Delta L\approx\frac{dL}{dh}\Delta h\) | gradient descent:參數走一小步,loss 大約改變「梯度 × 步長」 |
| \(O(\Delta x^2)\) | Taylor 展開、Euler 法的誤差階數,見補充課 A §01 |
| 連續、可微 | ReLU 的尖角;flow 要求可微可逆 |
常見誤解
自我測驗
1. 用定義算 \(f(x) = x^2\) 在 \(x_0\) 的導數,並寫出 \(x_0 = 3\) 的切線方程式。
2. (18.01SC 例題)帳戶餘額 \(f(t) = -5t^2 + 60t + 120\) 美元,\(t\) 是月份。\(f'(1)\)、\(f'(10)\) 各是多少?哪個月餘額最高?
3. (18.01SC 例題)找常數 \(a, b\),使 \(f(x) = ax + b\)(\(x > 0\))、\(\sin2x\)(\(x \le 0\))在 0 連續但不可微。
4. (18.01SC 例題)哪些要用單邊極限?求出每個極限:(a) \(\lim_{x\to0}\sqrt x\) (b) \(\lim_{x\to-1}\frac1{x+1}\) (c) \(\lim_{x\to1}\frac1{(x-1)^4}\) (d) \(\lim_{x\to0}|\sin x|\) (e) \(\lim_{x\to0}\frac{|x|}{x}\)
5. 從 80 公尺丟南瓜,\(h = 80 - 5t^2\)。什麼時候的瞬間速度剛好等於整段的平均速度 −20 公尺/秒?
6. \(f(x) = \frac{|x|}{x}\) 在 0 是哪一種不連續?\(g(x) = x\sin\frac1x\)(\(x \ne 0\))在 0 呢?
延伸閱讀
- 18.01 Fall 2006 講義 Lecture 1、Lecture 2(離線包
lec1.pdf、lec2.pdf):和影片內容幾乎一樣,例子改用英制,Lecture 2 最後多了兩個三角極限的圖解(第 02 頁會講)。 - 18.01 補充 notes C〈Continuity and Discontinuity〉(
c_cntnt_dscntnt.pdf):四種不連續的圖,以及 \(|x|\)、\(\tan x\) 等例子。 - 18.01SC session 1–5 的 worked examples(離線包
MIT18_01SCF10_ex01prb.pdf–ex05prb.pdf,附解答):自我測驗 2–4 題的來源。