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链式法则推导

链式法则

链式法则 (chain rule), 是求复合函数导数的一个法则. 一元情况下, 设 \(f\) 和 \(g\) 为两个关于 \(x\) 可导函数, 则复合函数 \((f \circ g)(x) = f(g(x))\) 的导数 \((f \circ g)'(x)\) 为:

\[(f \circ g)'(x) = f'(g(x)) g'(x)\]

推导

一元的链式法则推导比较简单, 我们直接考虑二元的情况. 考虑函数 \(z = f(x, y)\), 其中 \(x = g(t), y = h(t)\), 那么:

\[\begin{align*} & f'(t) = \lim_{\Delta t \to 0}\frac{f(g(t + \Delta t), h(t + \Delta t)) - f(g(t), h(t))}{\Delta t} \\ & f'(t) = \lim_{\Delta t \to 0}\frac{f(g(t + \Delta t), h(t + \Delta t)) - f(g(t), h(t + \Delta t)) + f(g(t), h(t + \Delta t)) - f(g(t), h(t))}{\Delta t} \\ & f'(t) = \lim_{\Delta t \to 0}\frac{f(g(t + \Delta t), h(t + \Delta t)) - f(g(t), h(t + \Delta t))}{\Delta t} + \frac{f(g(t), h(t + \Delta t)) - f(g(t), h(t))}{\Delta t} \end{align*}\]

因为 \(g'(t) = \lim_{\Delta t \to 0}\frac{g(t + \Delta t) - g(t)}{\Delta t}\), \(h'(t) = \lim_{\Delta t \to 0}\frac{h(t + \Delta t) - h(t)}{\Delta t}\), 所以:

\[f'(t) = \lim_{\Delta t \to 0}\frac{f(g(t + \Delta t), h(t + \Delta t)) - f(g(t), h(t + \Delta t))}{g(t + \Delta t) - g(t)} g'(t) + \frac{f(g(t), h(t + \Delta t)) - f(g(t), h(t))}{h(t + \Delta t) - h(t)} h'(t)\]

根据导数的定义得:

\[f'(t) = (\lim_{\Delta t \to 0}\frac{f(g(t + \Delta t), h(t + \Delta t)) - f(g(t), h(t + \Delta t))}{g(t + \Delta t) - g(t)}) g'(t) + f'(h(t)) h'(t)\]

令 \(s = t + \Delta t\), 得:

\[f'(t) = (\lim_{\Delta t \to 0}\frac{f(g(s), h(s)) - f(g(s - \Delta t), h(s))}{g(s) - g(s - \Delta t)}) g'(t) + f'(h(t)) h'(t)\]

同样根据导数定义得:

\[f'(t) = f'(g(s)) g'(t) + f'(h(t)) h'(t)\]

同时, 当 \(\Delta t \to 0\) 时, \(s = t\):

\[f'(t) = f'(g(t)) g'(t) + f'(h(t)) h'(t)\]

注意点

  1. 推导时把 \(t\) 当做常数. 虽然 \(s\) 会随着 \(\Delta t\) 的变化而变化, 但是当 \(\Delta t\) 确定时, \(s\) 是确定的
  2. \(\Delta t\) 表示 实际 的增量, \(dt\) 表示 微小 的增量
  3. \(f'(t)\) 是牛顿表示导数的符号, 莱布尼兹的表示方式是 \(\frac{dz}{dt}\)
  4. \(\frac{\partial z}{\partial x}\) 表示偏导数, \(\partial\) 是 \(d\) 的圆体变体
  5. 二元以上的推导也是类似的