微分
微分把函数在一点附近的变化拆成两部分:由切线预报的一阶变化,以及相对输入改变量更小的余量。对一元函数 ,在 可导恰好意味着 这里 是输入的实际改变量,不要求它先是某种“无限小的数”。令 ,定义微分 ;实际输出变化则是 。微分一般不等于实际变化。
用平方根估算一次变化
取 ,基点 。对 且 ,有 所以 ,在 4 附近可用直线 估算平方根。若 ,切线给出 ,实际约为 ;图中切线值略高于曲线值。若只增加 ,则 ,实际约为 ,差距缩小。
这里的误差可以精确算出。把根式有理化,再减去微分,得到 因而 ;误差在本例中甚至是二阶的。 时,,与直接比较 一致。切线估计不是因为“曲线很像直线”而自动成立,关键是误差相对 趋零。
切线也不总是高估。取 ,在 的微分为 。实际增量与微分之差可直接通分: 当 很小时,这个余量为正,切线低估实际函数值;仍有余量除以 趋零。判断近似误差的符号与大小,应看所研究的函数,而不能把平方根例子的方向当成通则。
微分与测量误差
设圆的半径 以厘米计,面积 以平方厘米计。半径从 10 增加 ,微分预报面积增加 平方厘米。直接展开则得 被忽略的 是二次项。若半径变化改为 厘米,微分为 ,余量仅 ;输入缩小十倍时,这个二次误差缩小一百倍。近似值可用于估算,但报告精度仍要与输入测量精度相称。
与导数、链式法则的关系
在 时,。这说明莱布尼茨记号与局部线性变化相容,但求导规则必须从极限与复合函数的条件得到,不能只把符号当分数随意约掉。若 、 且两层都在相应点可导,那么 、;合起来正是链式法则。当输入变为两个量,最贴切的对应物是一个线性函数而非两条互不相干的切线,见偏导数与方向导数与梯度。