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⚙️ 游乐场 3.4

齿轮与过山车

变化会沿着齿轮一层层传下去,每一层的传动比相乘;过山车的山顶,切线正好水平。

链式法则复合函数极值优化
输入 x 中间 u=ax+1 输出 y=uⁿ
第一个齿轮转一圈,第二个转 a 圈,第三个再乘一层。

为什么是相乘?

想一想

⚙️齿轮的传动比

第一级把变化放大 a 倍,第二级把变化再放大 n u^{n-1} 倍。两级串起来,总倍数就是两个倍数的乘积。

这就是链式法则最直观的解释:\frac{dy}{dx}=\frac{dy}{du}\cdot\frac{du}{dx}。

🔗复合函数

把函数拆成两层:先算里面 u=ax+1,再算外面 y=u^n。

外层导数 n u^{n-1} 再乘内层导数 a,就得到最终导数。

🎢山顶的切线

过山车到达最高点时,瞬间既不在上升也不在下降,所以切线水平,导数为 0。

但导数为 0 不一定就是山顶,还要看两侧是否变号。

📐围栏优化

用 20 米篱笆围矩形,设一边 x,面积 A=x(10-x)。

A'=10-2x=0,得 x=5,正方形时面积最大。

拖动切点,切线会跟着转;山顶和山谷处切线水平。

导数帮你找“最好”

想一想

🎢山顶与山谷

f(x)=x^3-3x,f'(x)=3x^2-3。令导数为 0,得到 x=\pm1。

x=-1 是山顶,x=1 是山谷。

📐最优解

求最大面积、最短时间、最省材料,都是先写函数,再令导数为 0,最后看两侧是否符合题意。

导数把“比较所有可能”变成了“解一个方程”。

🎯小挑战

① 用 12 米篱笆围矩形,最大面积是多少?

② f(x)=x^3 在 0 处导数为 0,为什么不是极值?

看答案

① 3×3,面积 9 平方米;② 两侧导数都为正,函数一直上升,没有变号。