求导法则:四则、链式与隐函数

02-一元微分 核心 约 25 分钟 #求导法则#链式法则#乘积法则#隐函数 更新 2026-10-02
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本文基于模型知识整理(生成时未联网核对),法则证明建议对照 Stewart §3.2–3.5 复核。

一句话定义

四条法则让导数表有限的函数组搭出无穷函数:和差逐项、乘积 $(uv)'=u'v+uv'$、商 $\left(\frac uv\right)'=\frac{u'v-uv'}{v^2}$、链式 $(f(g(x)))'=f'(g(x))\cdot g'(x)$——链式法则是"变化率沿复合链传播",是全部下游(隐函数、参数方程、反向传播)的核心引擎。

为什么重要

没人用定义求导——法则+基本表才是实战形态。链式法则更是微积分中使用频率第一的定理:神经网络的反向传播本质是链式法则的矩阵流水线(kp-031)、相关变化率与隐函数求导是它的单变量彩排。

前置知识

kp-006(导数定义)、kp-011(基本导数表)。

核心概念

  • 和差:$(u\pm v)'=u'\pm v'$(线性性)。
  • 乘积:$(uv)'=u'v+uv'$;三元推广逐层展开。
  • 商:$\left(\frac{u}{v}\right)'=\frac{u'v-uv'}{v^2}$(可由乘积+链式导出)。
  • 链式:$\frac{dy}{dx}=\frac{dy}{du}\cdot\frac{du}{dx}$(外层导×内层导);"洋葱剥皮":从最外层向内逐层求导相乘。
  • 隐函数求导:方程 $F(x,y)=0$ 两边对 x 求导,把 y 视为 x 的函数、遇 y 必挂 y'——解出 y' 即可(不必显式解出 y)。
  • 对数求导法:幂指函数 $u^v$ 取 ln 后求导——处理 $x^x$ 型的专用通道。

原理与机制

乘积法则为什么长这样(不是 u'v'):几何直觉——把 uv 看成边长为 u、v 的矩形面积;x 增大 δ 后面积增量 = 竖条 u'v·δ + 横条 uv'·δ + 角落小块(高阶小量,被 /δ 取极限后消失)。代数上:$\frac{\Delta(uv)}{h}=\frac{\Delta u}{h}v+\frac{\Delta v}{h}u+\frac{\Delta u\Delta v}{h}$,末项 →0。

链式法则的"齿轮"图像:两齿轮传动,B 随 A 的速率 = A 自转速率 × 传动比;复合函数的变化率=各级变化率的连乘。莱布尼茨记号 $\frac{dy}{du}\frac{du}{dx}$ 看似分数约分,其实只是"恰好可以这样记"的巧合——但这个巧合让微分方程换元与反向传播的记号直觉极佳。

隐函数求导为什么合法:只要方程确实隐含可微函数 y(x)(隐函数定理保证,条件是 $F_y\neq0$),对恒等式两边求导即可——y 是"看不见但存在"的函数,y' 是它的导数记号。

图示

(uv)' = u'v + uv'          (矩形面积: 两条边带 + 角落消失)
(u/v)' = (u'v − uv')/v²
链式:   (f∘g)'(x) = f'(g(x))·g'(x)     (洋葱从外剥, 逐层相乘)
隐函数: F(x,y)=0 两边对 x 求导, y 的项挂 y', 解出 y'
例:     x²+y²=25 → 2x+2yy'=0 → y' = −x/y

直观类比

链式法则是"汇率换算":美元→欧元、欧元→日元,总汇率=两者相乘——变化率沿"函数链"逐级传导。乘积法则像"双人协作":总产出变化=甲效率×乙基础量+乙效率×甲基础量。

实例或案例

  • $y=(x^2+1)^{10}$:链式 $10(x^2+1)^9\cdot 2x$——不展开多项式的聪明算法。
  • 相关变化率:气球充气体积对时间的导数=表面积×半径变化率——链式的物理应用。
  • 深度学习 BP:每层梯度=上一层梯度×本层导数——链式法则的矩阵版(kp-031)。

常见误区

  • 误区一:"乘积法则=(u'v')"。这是最高频错误;正确是两项和(反例 $(x·x)'=2x$ 而 x'·x'=1)。
  • 误区二:"链式法则忘了内层导数"。$\sin(3x)$ 的导数是 $3\cos3x$ 不是 $\cos3x$——"剥洋葱漏了里层"。
  • 误区三:"隐函数求导时忘了 y'"。对 $y^2$ 求导得 $2y\cdot y'$(y 依赖 x)——链式法则在隐函数中的强制出场。

与其他知识点的关系

  • kp-005:三角/指数导数表的证明根。
  • kp-011:法则的弹药库(基本表)。
  • kp-022:链式法则的多元升级版(偏导矩阵链)。
  • kp-031/033:BP 与常见错误的主战场。

自测题

  1. 求 $y=x\sin x$ 与 $y=\frac{\ln x}{x}$ 的导数。

答:$\sin x+x\cos x$;$\frac{(1/x)x-\ln x}{x^2}=\frac{1-\ln x}{x^2}$。

  1. 求 $y=e^{\sin 3x}$ 的导数。

答:链式两层:$e^{\sin3x}\cdot\cos3x\cdot3$。

  1. 曲线 $x^3+y^3=6xy$(笛卡尔叶形线)在 (3,3) 处的切线斜率?

答:两边求导 $3x^2+3y^2y'=6y+6xy'$,代入 (3,3):$27+27y'=18+18y'$ → $y'=-1$。

延伸阅读

  • 3Blue1Brown《Essence of Calculus》第 3、4 集(乘积与链式的视觉证明)。
  • Stewart《Calculus》§3.2–3.6。
  • 高等数学教材(同济版)第 2 章(隐函数与对数求导的大量练习)。