嚴謹的微分理論

差商

在談論瞬時變化率之前,你只能測量平均變化率。一趟公路旅行中,總路程除以總時間給出平均速度。差商正是如此:在一個有限步長上,輸出的變化除以輸入的變化。

對函數 f 與兩個不同的點 a 和 a + h,差商為 (f(a + h) - f(a)) / h。從幾何上看,它是連接圖像上兩點 (a, f(a)) 與 (a + h, f(a + h)) 的割線的斜率。只要函數值存在,它對每個非零的 h 都有定義;此時尚未涉及任何極限。

讓 h 趨於 0,導數便由差商誕生。微分的全部戲劇性都在於這一次取極限:差商是一個誠實可算的比值,而導數是它所趨近的那個值——此值可能存在,也可能不存在。將這兩個概念區分清楚,正是使定義嚴謹而非循環論證的關鍵。

對 f(x) = 1/x 在 a = 2,取 h = 0.1:(1/2.1 - 1/2) / 0.1 = (0.47619 - 0.5) / 0.1 = -0.2381,接近導數 -1/4 = -0.25。

有限步長給出近似值;縮小 h 會使其逼近精確斜率。

一個常見的對稱變體是 (f(a + h) - f(a - h)) / (2h),即中心差商,廣泛用於數值逼近;對可微的 f,它的極限也是 f'(a),但即使普通差商不收斂它也可能收斂。

又稱
Newton quotient牛顿商牛頓商