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對數微分法:微分技巧的綜合體

解凍豬腳 | 2020-11-06 10:15:02 | 巴幣 7940 | 人氣 21682


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  在微分的基本技巧當中,對數微分法可以算是一系列方法裡的最後一種。其實關於微分的應用還有很多東西可以講(譬如全微分、線性近似),不過並不是每個科系的學生都會需要用到,等講完對數微分法以後就直接講積分吧,剩下的東西之後再說。

  上次說明對數(log、ln)的時候,我們提到過:凡是不好處理的指數,只要使用對數函數就可以把指數提到函數外面,成為係數:


  在處理複雜的微分問題的時候,我們一樣可以利用對數來簡化它。上次介紹過「e」這個常數的特殊性質,所以在微積分領域當中,最好用的應該會是 ln 而不是 log。

  可以想像,既然今天使用對數來簡化算式裡的項目,那麼總會有很大的機率遇上「需要把 ln x 對 x 微分」的情況。為了先準備好未來可能會用到的工具,我們試著求求看 吧!



。ln x 的微分

  學到對數函數微分的時候,我們會很常需要用到這兩個公式:

(上次講對數函數的時候提過)


  ln x 算是一個比較特殊的函數。我們想證明 ,要是直接套用定義的話:


  你會發現最後出來的東西很複雜。雖然繼續做下去確實可以直接利用 e 的定義來得到結果,但我相信你不會想這麼做的。

  我們可以利用 ln 函數的本質 拐個角來嘗試:


  成功了!這就是利用微分連鎖律來證明 的過程。使用微分連鎖律的時候一定要注意分母標示的微分對象是誰,不然你會看不懂這個過程怎麼來的,這個當時再三強調過,千萬不可以搞混。



。有了這樣的工具,就能用來應付複雜的函數

  假設今天有一個函數:


  直接利用除法律和乘法律的話,雖然也不是無法達成目的,但肯定比較麻煩。我們直接利用對數可以「化指數為乘法、化乘除為加減」的特性,把它拆下來,然後經過微分連鎖律拆成該拆的項目,再移項一下就可以得到結果:


  這個看起來稍微複雜一點。實際上,我們只是把先前曾經提過的各種規律混合起來做而已,遇到什麼就使用什麼:

log(AB) = log A + log B




  看不懂過程的話,我們拿 對 x 的微分過程來分解動作,可以注意到我們只不過是運用了上面的幾種規律而已,其他都是比照辦理:


  ln y 對 x 微分也同理,因為我們知道 ln y 對 y 微分的結果是 ,套用到微分連鎖律就可以得到:


  它的主要原理就是因為使用對數、套用連鎖律的時候恰好會多一個 出來,所以我們只要經過整理,就可以得到我們想要的 ,同時又具備把指數化簡運算的功能。



。x 的 x 次方,怎麼微分?

  這也是個經典題。我們剛開始在學微分的時候學過最基本的規律:


  但這僅限於指數是常數的情況下。你可以想像一下,當 x 在變動的時候, 無論是底數還是指數都在跟著移動,想當然爾,這就跟 (C 為常數)完全不可比擬。即使直接使用微分的基本定義(令 Δx → 0)來求取導函數,你也不會得到 這樣的結果。

  簡單來說:如果你認為 的話,那你就太天真了,因為這樣的想法從根本上來看就已經有問題,自然不能通用。

  這種情況下,我們一樣使用對數微分法來處理:


  還是一樣老概念,遇到嵌套兩層的項,就使用連鎖律;遇到相乘的組合項,就使用乘法律,只要整理一下把 整理到一邊,就得到我們想要的了。

  我們甚至可以在「知道 」的前提下,利用對數微分法推出


  因為「常數」的英文是 constant,所以習慣上我們會用它的字首 C 來表示一個常數。

  當然,只要想法是對的,無論你是用正規的做法還是對數微分法,得到的結論都會是相同的,只是我們使用了不同的方法去達成目的而已。總而言之,只要遇到麻煩的指數問題,用對數就可以去解決它。

  如果還要嚴謹一點的話,可以把 ln 裡面的真數加上絕對值(比如把 ln x 記為 ln |x|),規避真數小於 0 而導致 ln 無意義的情況。

  對數微分法大概就是這樣了,接下來的期中考就請大家好好加油吧。
 
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留言

創作回應

歐告
那可以再請問一個問題嗎 就是這題我不知道哪裡錯了 解答上設的y=x^[ln2/(1+lnx)] 而我則是設照片寫的這樣 結果答案是y=2
抱歉問了這麼多造成困擾了… [e36] https://truth.bahamut.com.tw/s01/202203/b5b732360aaea4ee0f516cc7e671c65f.JPG
2022-03-21 01:58:48
歐告
不知道怎麼用回覆 所以只能說從右邊趨近於0的時候是嗎!
2022-03-21 02:24:50
解凍豬腳
對,可以這麼說,而真數小於零的狀況則是沒有實數定義
所以觀察 ln x 的圖形,可以發現它只有右半邊有函數圖形:
https://i.imgur.com/HI1YYxW.png
2022-03-21 02:26:22
歐告
原來如此!那請問上面那題究竟是問題出在哪裡呢 [e3]
2022-03-21 02:28:48
解凍豬腳
我好多東西都還給老師了 XD 這我可能得再想想

不過我第一眼覺得問題應該是出在羅必達定理用的時機不對
羅必達定理只有在極限式直接代入會得到不定形的時候才可以使用
比如說妳發現「直接代進去的話,分子分母都是 0 或都是無限大」,又或者直接代進去會得到 0 的 0 次方,諸如此類
參考:
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%8D%E5%AE%9A%E5%BC%8F_(%E6%95%B8%E5%AD%B8)
2022-03-21 02:35:06
歐告
https://truth.bahamut.com.tw/s01/202203/140cda6c68db8983c63ed16c35d41916.JPG https://truth.bahamut.com.tw/s01/202203/d2e91e855992e7f6a0d847a4c8414ea8.JPG
這三題我都算答案是1
不過答案都是2
2022-03-21 02:39:40
解凍豬腳
原來有詳解,那剛才是我說錯了,這個確實是不定式
妳的算式問題出在妳把 lim(x→0+) ln 2 看成 0 了
ln 2 是一個常數,這個式子只是把 x 往 0 靠近,但 ln 2 始終是 ln 2
2022-03-21 02:42:30
解凍豬腳
妳把 1/x 消掉是正確的,但妳等號右邊寫成 0 了
2022-03-21 02:43:10
歐告
不小心放了兩個一樣的圖片 抱歉 [e14]
2022-03-21 02:40:13

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