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如何利用约分从极限定义求 f(x)=x2f(x)=x^2 的导数?

要求 f(x)=x2f(x)=x^2 的导数,将其代入差商得到 (x+h)2−x2h\frac{(x+h)^2-x^2}{h}。展开分子得到 2xh+h22xh+h^2。对于非零 hh,可以约去 hh 得到 2x+h2x+h。取 h→0h \to 0 时的极限,得到导数 2x2x。

适用条件

  • f(x)=x2f(x)=x^2。
  • 在约分步骤中 hh 是非零的。
  • 简化后取 h→0h \to 0 的极限。

理解与推导

  1. 将 f(x+h)=(x+h)2f(x+h)=(x+h)^2 和 f(x)=x2f(x)=x^2 代入差商。
  2. 展开分子:(x+h)2−x2=x2+2xh+h2−x2=2xh+h2(x+h)^2 - x^2 = x^2 + 2xh + h^2 - x^2 = 2xh + h^2。
  3. 从分子中提取因子 hh:h(2x+h)h(2x+h)。
  4. 从分子和分母中约去 hh,由于 h≠0h \neq 0 这是有效的:h(2x+h)h=2x+h\frac{h(2x+h)}{h} = 2x+h。
  5. 计算极限:lim⁡h→0(2x+h)=2x\lim_{h\to0} (2x+h) = 2x。

例子

脚本指出:“对于 f(x)=xf(x)=x²,展开分子得到 2xh+h²。对于非零 h,商变为 2x+h2x+h,其极限是 2x。”

容易误解的地方

  • 在展开或简化分子之前试图约去 hh。
  • 将 h=0h=0 代入未简化的商中,导致除以零。
  • 忘记约分仅对非零 hh 有效,尽管极限考虑的是 hh 趋近于零时的行为。

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