严格的微分理论

差商

在谈论瞬时变化率之前,你只能测量平均变化率。一趟公路旅行中,总路程除以总时间给出平均速度。差商正是如此:在一个有限步长上,输出的变化除以输入的变化。

对函数 f 与两个不同的点 a 和 a + h,差商为 (f(a + h) - f(a)) / h。从几何上看,它是连接图像上两点 (a, f(a)) 与 (a + h, f(a + h)) 的割线的斜率。只要函数值存在,它对每个非零的 h 都有定义;此时尚未涉及任何极限。

让 h 趋于 0,导数便由差商诞生。微分的全部戏剧性都在于这一次取极限:差商是一个诚实可算的比值,而导数是它所趋近的那个值——这个值可能存在,也可能不存在。把这两个概念区分清楚,正是使定义严格而非循环论证的关键。

对 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,接近导数 -1/4 = -0.25。

有限步长给出近似值;缩小 h 会使其逼近精确斜率。

一个常见的对称变体是 (f(a + h) - f(a - h)) / (2h),即中心差商,广泛用于数值逼近;对可微的 f,它的极限也是 f'(a),但即使普通差商不收敛它也可能收敛。

又称
Newton quotient牛顿商牛頓商