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幂函数求导公式推导过程(简单数学公式证明系列1-2:流数法推导有理幂函数求导公式)

【本系列属于简单数学知识科普,适合有一定数学基础的高中生阅读,不严谨之处还望多多包涵,有错误之处还望指正】

牛顿提出广义二项式定理后,开始着手研究根据函数表达式求面积的方法。方向恰恰相反,牛顿先假定了有理幂函数曲线与x轴0到x围成的面积为

,研究面积随着x变化的瞬时变化率,牛顿把它称之为流数,用现代数学语言讲就是导函数。牛顿研究了两个值之间的面积增量

,用上节所说的广义二项式定理展开:

当o非常小时,x+o可以看做是x,面积增量成为一个矩形,即

,这样函数

这时牛顿来了个骚操作,因为是瞬时变化,就干脆令o=0带入式子中

,用现代求导的语言来说即

。也就是说,只要知道某个幂函数的求积函数,就可以推算出这个幂函数的表达式;反之,若知道幂函数

,也可以推算出这个幂函数曲线与x轴0到x围成的面积为

这里同学们可能已经发现里面有个巨大的逻辑问题,推导过程中o有作为除数,除完以后怎能令o=0再继续下去?有问题归有问题,但顶不住真香啊,之后的一段时间数学家、物理学家用微积分的思想、公式、定理解决了一大堆之前无法解决的问题,充分证明了微积分的巨大力量,从此数学的发展迈进高等数学领域。(我们下节讲极限时再进行完善)

既然提到了牛顿,就不得不介绍另一位全才数学家戈特弗里德·威廉·莱布尼茨,他与牛顿是同时独立完成微积分的一套理论,谁先发明微积分的争论是数学界至今最大的公案。相比之下,莱布尼茨创造的微分概念更加先进,现在使用的微分符号dx,dy就是出自他手,比如上式可用微分符号写成

;积分符号∫也是莱布尼茨创新使用,对两边求积分即可得到

,比起流数符号来说大大增强了运算的系统化,特别是在解微分方程中大放异彩。而牛顿则把微积分运用到了运动学中,以此构建了经典物理学体系,造诣要远高于莱布尼茨。


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