问题

为什么 lnx 求导是 1/x?

回答
这个问题问得很好,很多人在学习微积分时都会遇到这个疑惑。ln(x) 的导数是 1/x,这背后其实蕴含着微积分的核心思想——极限和变化率。要理解这一点,咱们得一步步来,就像剥洋葱一样,层层深入。

1. 什么是导数?

首先,我们得明白导数到底是什么。简单来说,导数衡量的是一个函数在某一点上的“瞬时变化率”。想象一下你在开车,速度表显示的就是你汽车位置函数对时间的导数。当你的速度变化时,速度表上的读数也在变。

在数学上,导数是通过差商的极限来定义的。假设我们有一个函数 f(x),我们想知道它在点 x 处的导数 f'(x)。我们考虑函数在 x 附近的一个点 x + Δx (Δx 是一个很小的变化量)。

函数值的变化量: f(x + Δx) f(x)
自变量的变化量: Δx

那么,函数在 x 和 x + Δx 之间的平均变化率就是:

$$ frac{f(x + Delta x) f(x)}{Delta x} $$

这个表达式就是差商。它告诉我们,当自变量从 x 变化到 x + Δx 时,函数值的平均变化速度。

如果我们要找的是瞬时变化率,也就是函数在 x 这一点的变化速度,就需要让这个 Δx 无限接近于零。这就是极限的作用:

$$ f'(x) = lim_{Delta x o 0} frac{f(x + Delta x) f(x)}{Delta x} $$

2. ln(x) 的导数是什么?

现在,我们把 f(x) 换成 ln(x),然后套用导数的定义:

$$ (ln x)' = lim_{Delta x o 0} frac{ln(x + Delta x) ln x}{Delta x} $$

咱们一步步来化简这个表达式:

利用对数的性质: ln(a) ln(b) = ln(a/b)。所以,ln(x + Δx) ln x = ln( (x + Δx) / x ) = ln( 1 + Δx/x )。
$$ (ln x)' = lim_{Delta x o 0} frac{ln(1 + frac{Delta x}{x})}{Delta x} $$

稍微调整一下结构: 为了后面方便使用一个著名的极限,咱们把 Δx/x 提出来,并利用指数的性质。注意,这里有个小技巧:我们可以在分子和分母同时乘以 1/x。
$$ (ln x)' = lim_{Delta x o 0} frac{1}{Delta x} lnleft(1 + frac{Delta x}{x} ight) $$
$$ (ln x)' = lim_{Delta x o 0} lnleft(left(1 + frac{Delta x}{x} ight)^{frac{1}{Delta x}} ight) $$

关键的极限: 这是一个非常非常重要的极限。当 n 趋向于无穷大时,(1 + 1/n)^n 趋向于自然常数 e。咱们这里可以做一个变量代换:令 n = x / Δx。当 Δx → 0 时,n → ∞。同时,Δx = x/n。
$$ (ln x)' = lim_{n o infty} lnleft(left(1 + frac{1}{n} ight)^{x cdot frac{n}{x}} ight) $$
$$ (ln x)' = lim_{n o infty} lnleft(left[left(1 + frac{1}{n} ight)^n ight]^x ight) $$

运用对数的另一个性质: ln(a^b) = b ln(a)。
$$ (ln x)' = lim_{n o infty} x cdot lnleft(left(1 + frac{1}{n} ight)^n ight) $$

套用著名极限: 我们知道 $$ lim_{n o infty} left(1 + frac{1}{n} ight)^n = e $$ 并且 ln(x) 函数是连续的,我们可以把极限移到 ln 函数内部(虽然这里我们是反着操作,把极限移到外面,但本质上是利用了连续性)。
$$ (ln x)' = x cdot lnleft(lim_{n o infty} left(1 + frac{1}{n} ight)^n ight) $$
$$ (ln x)' = x cdot ln(e) $$

自然对数的定义: ln(e) 的值是 1,因为 e 的 1 次方就是 e。
$$ (ln x)' = x cdot 1 $$
$$ (ln x)' = x $$

等等,好像哪里不对!我怎么算出来是 x? 噢,不对,再回头看看我之前的步骤。

让我们回到这一步:
$$ (ln x)' = lim_{Delta x o 0} frac{ln(1 + frac{Delta x}{x})}{Delta x} $$

我之前是将 1/Δx 移到了 ln 的指数里面,这是允许的。但那个著名极限是 (1 + 1/n)^n,我这里是 (1 + Δx/x)^(1/Δx)。

让我们重新处理一下:
$$ (ln x)' = lim_{Delta x o 0} frac{ln(1 + frac{Delta x}{x})}{Delta x} $$

为了让它看起来更像著名的极限 $$ lim_{u o 0} frac{ln(1+u)}{u} = 1 $$ (这个极限可以通过刚才的 e 的定义推导出来,或者用泰勒展开,但这里我们暂时当作一个已知的结果),我们可以进行变量代换。

令 $$ u = frac{Delta x}{x} $$。
当 Δx → 0 时, u → 0。
那么 $$ Delta x = u cdot x $$。

将这些代入导数的定义式:

$$ (ln x)' = lim_{u o 0} frac{ln(1 + u)}{u cdot x} $$

现在,我们可以把 1/x 提出来了,因为它不依赖于 u,可以移到极限符号外面:

$$ (ln x)' = frac{1}{x} lim_{u o 0} frac{ln(1 + u)}{u} $$

3. 关键的极限: $$ lim_{u o 0} frac{ln(1 + u)}{u} = 1 $$

这个极限为什么等于 1 呢? 它其实和 e 的定义紧密相关。
还记得我们之前看到的 $$ lim_{n o infty} left(1 + frac{1}{n} ight)^n = e $$ 吗?
我们可以对这个式子两边取自然对数:
$$ lnleft(lim_{n o infty} left(1 + frac{1}{n} ight)^n ight) = ln(e) $$
$$ lim_{n o infty} lnleft(left(1 + frac{1}{n} ight)^n ight) = 1 $$
$$ lim_{n o infty} n lnleft(1 + frac{1}{n} ight) = 1 $$

令 $$ m = 1/n $$。当 n → ∞ 时, m → 0。
$$ lim_{m o 0} frac{1}{m} ln(1 + m) = 1 $$
$$ lim_{m o 0} frac{ln(1 + m)}{m} = 1 $$

这就是我们要用的关键极限!

4. 回到 ln(x) 的导数

现在,我们把这个关键极限代回到我们 ln(x) 的导数公式中:

$$ (ln x)' = frac{1}{x} lim_{u o 0} frac{ln(1 + u)}{u} $$
$$ (ln x)' = frac{1}{x} cdot 1 $$
$$ (ln x)' = frac{1}{x} $$

voilà!这就证明了 ln(x) 的导数就是 1/x。

总结一下整个过程:

1. 导数定义: 导数是函数在某点瞬时变化率,通过差商的极限来计算。
2. 套用 ln(x): 将 ln(x) 代入导数定义公式,得到 $$ lim_{Delta x o 0} frac{ln(x + Delta x) ln x}{Delta x} $$。
3. 利用对数性质: 化简分子为 $$ ln(1 + frac{Delta x}{x}) $$。
4. 变量代换: 令 $$ u = frac{Delta x}{x} $$,使得极限形式变成 $$ frac{1}{x} lim_{u o 0} frac{ln(1 + u)}{u} $$。
5. 关键极限: 证明或利用 $$ lim_{u o 0} frac{ln(1 + u)}{u} = 1 $$。
6. 得出结果: 最终计算得到 $$ (ln x)' = frac{1}{x} $$。

这个过程有点像数学上的“侦探破案”,一步步推理,利用已知的工具(对数性质、极限定义、e 的定义)最终找到答案。所以,ln(x) 的导数是 1/x,不是凭空来的,而是微积分严谨定义下的必然结果。

网友意见

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y=Inx 的反函数是x=exp(y);

显然

dx=exp(y)dy;dx/dy=exp(y)

然而,我们想要知道的是dy/dx,因此

dy/dx=1/exp(y)=1/x

就是这么朴实无华的解释。

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这个问题非常有意思,高赞答主们从各个角度描述了对数函数的定义及其导数,但是其核心问题还是没有解决,即对数函数 为什么在某些方面像一个幂函数( )

咋看之下这似乎是无稽之谈,明明等于 ,而其它的幂函数的定义也跟对数函数全然不同,除了对数函数的导数也是幂函数之外,似乎就没有其它相似之处了。

不过非常恰巧,我前段时间对各种不同的平均做了一点点研究,里头也有非常类似的“对数函数表现的像一个幂函数”的行为,不过读者需要先花一点点时间了解一下什么是幂平均

对于两个正实数 和 ,我们知道他们的算术平均是 ,几何平均是 ,并且有算术几何平均不等式: ,这是中学数学的范畴。

到了大学之后,偶尔我们会遇到另一种平均值:均方根(root mean square, RMS),即 ,不过理解这个平均值依然只需要中学数学知识就够了:假设 (下同),不难发现 ,所以 确实介于 和 之间,可以当作是某种平均值。

有了均方根,我们很容易就想到,如果把二次方改成三次方行不行?四次方、五次方呢?这就很容易导出了幂平均的概念: 。这样一下子就把算术平均、均方根,推广了无穷多种平均值,只要代入不同的 就可以了,比如调和平均就也被包含了进来: 。

幂平均还有一个很有意思的性质,从图上也可以看出来,就是它关于 是单调的。事实上,如果 趋向于正(负)无穷,那么幂平均就会趋向于 ( )。对于任何有限的,则幂平均始终在 和 之间。

我们甚至可以对幂平均再做一次推广,把幂函数换成任意函数,把求根换成该函数的逆函数,就得到拟算术平均(quasi-arithmetic mean),又叫广义f-平均(generalized f-mean): ,幂平均就对应于 时的情形。

好了,现在背景知识都介绍完了,这与本来的问题有什么关系呢?

别急,我们刚刚忘了提几何平均了,既然幂平均可以一直从 走到 ,那几何平均在其中的什么位置呢?

也许你已经猜到了,几何平均就在 的位置!

注意到幂平均在 处是没有定义的,因为不能开零次方根,但是我们可以用极限的角度定义 。

证明其实不难,只要注意到对于任意的 ,我们有 ,而由于 当 时是单调减的所以不等号要反过来,就可以知道 只能在在 的位置了。

所以按照幂平均与 的对应关系, 似乎对应于对应的广义平均。然而事实上,是下的广义平均。这么一看 是不是跟幂函数 有了某些奇怪的相似关系了?

事实上,幂平均(包含 的特殊情形几何平均)是唯一一种满足齐次性的拟算术平均。什么是齐次性呢?简单地说, (两米)跟 的平均值,根据平均值的定义方式的不同,不一定是 ,也许是比方说 。但是如果我们把这两个数换个单位,那么齐次性要求 跟 在同一个定义下,平均值必须是 。换句话说, 我们要求平均值 满足 ,或者更一般的, ,这就是(一次)齐次性。

这个齐次性的要求既自然又苛刻,事实上,只要我们要求广义平均满足齐次性,可以证明 只能是幂函数 或者对数函数 ,顶多加上一个常数因子。其它的函数比如指数函数等都是不满足这个性质的。

所以说,对数函数与幂函数的关系远比表面上看起来更加复杂,其中更深入的关系还望有学数学的大神前来揭秘。


竟然这么多人看,趁机推销一下我自己写的段子好了

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