微積分學習資源

不只找答案,更懂每個法則為何成立

透過簡明推導、適用條件、解題範例與常見錯誤學習,再把同一道題帶入計算機練習。

微分公式與方法

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cot(x) 的導數:商法則、負號與連鎖律

d/dx cot(x)=−csc²(x)。對 cot(g(x)) 微分時,還要乘以 g′(x)。

角度採弧度,且排除 sin(x)=0 的點。複合函數則須排除 sin(g(x))=0 的點。

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csc(x) 的導數:倒數微分與複合函數

d/dx csc(x)=−csc(x)cot(x)=−cos(x)/sin²(x)。

角度採弧度,sin(x) 不可為零。

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arcsin(x) 的導數:反函數推導與端點極限

在 −1<x<1 時,d/dx arcsin(x)=1/√(1−x²)。

實數函數的定義域為 [−1,1],但有限的雙側導數只存在於區間內部。

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arccos(x) 的導數:負號、定義域與連鎖律

在 −1<x<1 時,d/dx arccos(x)=−1/√(1−x²)。

實數 arccos 的主值範圍為 [0,π]。函數在端點有定義,但有限的導數公式不適用。

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以 a 為底的對數微分:換底公式與內層導數

a>0、a≠1 且 x>0 時,d/dx log_a(x)=1/[x ln(a)]。

底數必須是正的常數,而且不能為 1。底數若為變數,就需要不同的微分方法。

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微積分學習

雙曲函數的導數:sinh、cosh 與 tanh

(sinh x)′=cosh x,(cosh x)′=sinh x,且 (tanh x)′=1/cosh²x。

這三個實數函數對所有實數 x 都有定義。雙曲函數不是具有週期性的三角函數。

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指數函數的導數

exp(x) 的導數:為什麼 eˣ 微分後仍是自己

ddx[ex]=ex\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left[e^{x}\right] = e^{x}

實數 aˣ 要求 a>0;exp(g(x)) 微分時也需要 g′(x)。

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基本微分法則

冪法則:指數與適用條件

d/dx xⁿ = nxⁿ⁻¹

實數區間必須符合原冪函數的定義域;底數為複合函數時還需要連鎖律。

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微分方法

如何使用乘積法則而不漏項

(fg)′ = f′g + fg′

兩個因子都可能依賴 x;真正的常數因子則可以提出。

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微分方法

如何使用商法則並保留正確順序

(f/g)′ = (f′g − fg′)/g²

分母 g(x) 不可為零。

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高階導數

逐步求二階導數

f″(x) = d/dx [f′(x)]

一階導數本身必須在區間上可微分。

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根式微分

√x 的導數:公式、定義域與 x=0

d/dx √x = 1/(2√x)

實數範圍內,√x 在 x≥0 有定義,但此有限導數要求 x>0。

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分段函數微分

|x| 的導數:分段法則與零點的尖角

d/dx |x| = x/|x|(x≠0);x=0 時無定義

公式不含零點;複合函數內層的每個零點都需要直接分析。

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三角函數微分

sin(x) 的導數:為什麼是 cos(x)

ddx[sin⁡x]=cos⁡x\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left[\sin x\right] = \cos x

標準公式假設角度以弧度表示;sin(g(x)) 還須乘上 g′(x)。

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三角函數微分

cos(x) 的導數:說明負正弦的符號

ddx[cos⁡x]=−sin⁡x\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left[\cos x\right] = -\sin x

標準公式假設角度以弧度表示;cos(g(x)) 還須乘上 g′(x)。

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倒數函數微分

1/x 的導數:冪法則、連鎖律與定義域

ddx[1x]=−1x2\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left[\frac{1}{x}\right] = \frac{-1}{x^{2}}

函數與導數只在 x ≠ 0 有定義。對 1/g(x),要求 g(x) ≠ 0 且 g 可微分。

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自然對數

ln(x) 的導數:公式、證明與例題

ddx[ln⁡x]=1x\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left[\ln x\right] = \frac{1}{x}

實數範圍的 ln(x) 要求 x > 0。

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反三角函數

arctan(x) 的導數:公式、證明與例題

ddx[arctan⁡x]=11+x2\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left[\arctan x\right] = \frac{1}{1 + x^{2}}

對所有實數 x 成立;角度以弧度表示。

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三角函數的導數

tan(x) 的導數:公式、證明與例題

ddx[tan⁡x]=sec⁡2x\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left[\tan x\right] = \sec^{2} x

要求 cos(x) ≠ 0;角度以弧度表示。

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三角函數的倒數

sec(x) 的導數:公式、證明與例題

ddx[sec⁡x]=sec⁡x tan⁡x\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left[\sec x\right] = \sec x\,\tan x

要求 cos(x) ≠ 0;角度以弧度表示。

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微分方法

如何求偏導數:步驟與例題

選定一個變數,將其他獨立變數視為常數。

偏導數描述一個獨立方向上的變化,其他獨立變數則保持固定。

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微分方法

如何使用連鎖律:步驟與例題

若 y=f(g(x)),則 y′=f′(g(x))g′(x)。

當一個可微分函數作為另一個可微分函數的輸入時,使用連鎖律。

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微分方法

如何做隱函數微分:步驟與例題

對兩邊微分,合併所有含 y′ 的項,再解出 y′。

若要用 y=y(x) 表示局部斜率,所研究點上的 y′ 係數必須非零。

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連鎖律常見錯誤

為什麼要乘上內層導數?

對 y=f(g(x)),須乘以 g'(x),因為 f 的輸入以 g'(x) 的速率改變,不是 x 每增加一單位,輸入也恰好增加一單位。

當一個可微分函數作為另一個函數的輸入時適用;每一個非平凡的巢狀層次都會提供一個因子。

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選擇微分法則

連鎖律與乘積法則:如何區分

f(g(x)) 使用連鎖律,f(x)g(x) 使用乘積法則;相乘的因子內有複合函數時,兩者都要用。

微分前先辨認最外層運算:函數以另一函數為輸入是複合;明確的乘積則連結獨立因子。

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偏導數的意義

偏微分為什麼把其他變數視為常數?

偏導數衡量一個座標方向上的變化,因此測量過程中,其他獨立變數保持固定。

這個解釋假設所列變數是獨立座標;受條件約束而相互連結的變數,需要不同分析。

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選擇微分變數

對 x 偏微分與對 y 偏微分

對 x 微分時固定 y;對 y 微分時固定 x。因此相同表示式可以得到兩個不同且正確的導數。

使用微分法則前,先辨認微分變數,並保留其他作為係數的變數。

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積分方法與定積分

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三角代換:如何選擇代換式與定義域

遇到 √(a²−x²) 可設 x=a sin θ;遇到 √(a²+x²) 可設 x=a tan θ;遇到 √(x²−a²) 可設 x=a sec θ。

假設 a>0,並選擇代換為一對一的角度區間。平方根取非負值,因此 √(u²)=|u|。

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微積分學習

有理函數的積分:多項式除法、部分分式與定義域

需要時先做多項式除法,再分解真分式,最後將較簡單的各項分別積分。

分母不可為零。原函數必須在原定義域的各個區間上分別成立。

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微積分學習

瑕積分:無窮上下限、奇點與收斂

將每個無窮端點或奇異端點分別寫成極限。所有必要的極限都必須收斂。

遇到區間內的奇點,必須在該點分段。柯西主值不等於一般定義下的瑕積分。

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曲線之間的面積:交點、上方減下方與分段積分

A=∫ₐᵇ |f(x)−g(x)| dx。上下兩條曲線互換位置時,必須在該處分段。

兩條曲線必須在指定的有限區間上可積分。幾何面積非負,單位為平方單位。

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微積分學習

旋轉體體積:圓盤法、圓環法與圓柱殼法

繞 x 軸旋轉、半徑非負時,V=π∫ₐᵇ [R(x)²−r(x)²] dx。

圓盤法與圓環法採垂直於旋轉軸的切片;圓柱殼法採平行切片。半徑必須從指定的旋轉軸量起。

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積分方法

變數代換積分:配對內層導數

若 u=g(x),則 ∫f(g(x))g′(x)dx=∫f(u)du

代換必須包含微分因子,並保留或轉換積分上下限。

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積分方法

分部積分:如何選擇 u 與 dv

∫u dv\int u\,\mathrm{d}v

選擇可積分的 dv,並讓 u 微分後能簡化剩餘積分。

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對數積分

1/x 的積分:為什麼是 ln|x| + C

∫1x dx=ln⁡∣x∣+C\int \frac{1}{x}\,\mathrm{d}x = \ln\left|x\right| + C

被積函數只在 x≠0 有定義,因此反導函數適用於不跨過零點的區間。

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三角函數積分

sin(x) 與 cos(x) 的積分:正負號與因子

∫sin(x)dx=−cos(x)+C; ∫cos(x)dx=sin(x)+C

對 sin(ax+b) 或 cos(ax+b),須除以非零的內層斜率 a。

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定積分方法

如何計算定積分:上下限與完整步驟

∫……f x dx=F b−F a\int_{\ldots}^{\ldots} f\,x\,\mathrm{d}x = F\,b - F\,a

此形式的微積分基本定理,要求 f 在有限閉區間連續,且 F′=f。奇異點與瑕積分需要另外分析。

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積分方法

u 代換與分部積分:如何選擇

f(g(x))g′(x) 這類複合結構適合代換;若乘積中某個因子微分後更簡單,可考慮分部積分。

這是選擇方法的判斷原則,不保證任一技巧都能完成所有積分。

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定積分

為什麼定積分不一定等於總面積

定積分給出淨有號面積;總面積則將座標軸上、下方各區域的面積大小相加。

被積函數在區間內變號時,計算總面積前須在每個相關零點分段。

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極限與單側極限

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夾擠定理:在趨近點附近夾住振盪函數

若 a 附近有 g(x)≤f(x)≤h(x),且外側兩個函數都趨近 L,則 f(x) 也趨近 L。

不等式必須在整個去心鄰域成立,不能只在選出的幾個樣本點成立。

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無窮遠處的極限:最高次項、正負號與水平漸近線

對有理函數,比較分子與分母的次數;次數相同時,極限是最高次項係數的比值。

+∞ 與 −∞ 處的行為可能不同。這是極限,不是把稱為無窮大的數值代入函數。

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微積分學習

連續與不連續:函數值、極限、空點與跳躍

在內部點 a 連續,必須 f(a) 存在、lim x→a f(x) 存在,而且兩者相等。

在定義域的端點,使用適當的單側條件。連續與可微分是不同的性質。

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代數極限

因式分解求極限:正確處理可去除的空點

分解因式,在目標附近約去非零的公因式,再求值。

只有在附近 x 使被約去因式不為零時,約分才有效。

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單側極限

單側極限:分別判讀左側與右側

只有左、右極限相同時,雙側極限才存在。

目標點的函數值不能決定任一單側極限。

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極限方法

何時可以使用羅必達法則,何時不行?

只有代入得到 0/0 或 ∞/∞,且滿足定理條件時,才使用羅必達法則。

商必須符合適用的不定型,且微分後的商在目標附近有意義。

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單側極限

左右極限不同時,雙側極限不存在

只有左極限與右極限趨近相同值時,雙側極限才存在。

表示式在趨近點兩側行為不同時,必須分別檢查兩個方向。

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