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微分法則

大一 · 微積分

觀念

u·vΔu·vu·ΔvΔu·ΔvuΔuvΔv

三條法則把「會微分的簡單函數」組合成任何複雜函數的導數:

  • 乘積法則 (uv)′=u′v+uv′(uv)' = u'v + uv':兩個都在變,變化率是「各自變一下」的總和。
  • 商法則 (uv)′=u′v−uv′v2\left(\frac{u}{v}\right)' = \frac{u'v - uv'}{v^2}:分子順序不能反。
  • 鏈鎖法則 (f(g(x)))′=f′(g(x)) g′(x)(f(g(x)))' = f'(g(x))\,g'(x):外層導數乘內層導數,是最常用也最常漏的一條。

算例:y=(x2+1)5y = (x^2+1)^5,外層 u5u^5 導數 5u45u^4,內層導數 2x2x,所以 y′=10x(x2+1)4y' = 10x(x^2+1)^4。

鏈鎖法則在多變數微積分變成雅可比矩陣相乘,在機器學習裡就是反向傳播 (backpropagation) 的數學本質。

例題

用商法則 (quotient rule) 求 f(x)=3x−3x2+3f(x) = \dfrac{3 x - 3}{x^{2} + 3} 的導函數 f′(x)f'(x)。

看解法與答案

(uv)′=u′v−uv′v2\left(\dfrac{u}{v}\right)' = \dfrac{u'v - uv'}{v^2},u=3x−3u = 3 x - 3、v=x2+3v = x^{2} + 3、u′=3u' = 3、v′=2xv' = 2x。

分子:3(x2+3)−(3x−3)(2x)=−3x2+6x+93(x^{2} + 3) - (3 x - 3)(2x) = - 3 x^{2} + 6 x + 9。

所以 f′(x)=−3x2+6x+9(x2+3)2f'(x) = \dfrac{- 3 x^{2} + 6 x + 9}{(x^{2} + 3)^2}。

答案: −3x2+6x+9(x2+3)2\frac{- 3 x^{2} + 6 x + 9}{\left(x^{2} + 3\right)^{2}}

用在哪裡

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