第三章 一元函数的导
数和微分
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3.1 导数概念
一、问题的提出 1. 切线问题
割线的极限位置——切线位置
如图,如果割线MN 绕点M 旋转而趋向极限位置MT ,直线MT 就称为曲线C 在点M 处的切线.
极限位置即
切线MT 的斜率为
2. 自由落体运动的瞬时速度问题
二、导数的定义 设函数y=f(x )在点
的某个邻域内有定义,当自变量x 在
处取得增量Δx
(点
;如果Δy 与
处可导,并称这个极限为函
仍在该邻域内)时,相应地函数y 取得增量
Δx 之比当Δx→0时的极限存在,则称函数y=f(x )在点
数y=f(x )在点 即
其它形式
处的导数,记为
关于导数的说明: 在点
处的导数是因变量在点处的变化率,它反映了因变量随自变量的变化而变
化的快慢程度。
如果函数y=f(x )在开区间I 内的每点处都可导,就称函数f (x )在开区间I 内可导。 对于任一
,都对应着f (x )的一个确定的导数值,这个函数叫做原来函数f (x )
的导函数,记作
注意:
2. 导函数(瞬时变化率)是函数平均变化率的逼近函数. 导数定义例题: 例1、115页8
设函数f (x )在点x=a可导,求:
(1)
【答疑编号11030101:针对该题提问】
(2)
【答疑编号11030102:针对该题提问】
三、单侧导数 1. 左导数:
2. 右导数:
函数f (x )在点
处可导
左导数
和右导数
都存在且相等.
例2、讨论函数f (x )=|x|在x=0处的可导性。 【答疑编号11030103:针对该题提问】 解
闭区间上可导的定义:如果f (x )在开区间(a ,b )内可导,且在,就说f (x )在闭区间[a,b]上可导. 由定义求导数 步骤:
及
都存
例3、求函数f (x )=C(C 为常数)的导数。 【答疑编号11030104:针对该题提问】 解
例4、设函数
【答疑编号11030105:针对该题提问】 解
同理可以得到
例5、求
例6、求函数
的导数。
【答疑编号11030106:针对该题提问】 解
例7、求函数的导数。
【答疑编号11030107:针对该题提问】 解
四、常数和基本初等函数的导数公式
五、导数的几何意义
表示曲线y=f(x )在点
处的切线的斜率,即
切线方程为
法线方程为
例8、求双曲线处的切线的斜率,并写出在该点处的切线方程和法线
方程。
【答疑编号11030108:针对该题提问】 解
由导数的几何意义, 得切线斜率为
所求切线方程为
法线方程为
六、可导与连续的关系
1. 定理 凡可导函数都是连续函数.
注意:该定理的逆定理不成立,即:连续函数不一定可导。 我们有:不连续一定不可导
极限存在、连续、可导之间的关系。
2. 连续函数不存在导数举例
例9、讨论函数在x=0处的连续性与可导性。
【答疑编号11030109:针对该题提问】 解:
例10、 P115第10题
设,α在什么条件下可使f (x )在点x=0处。
(1)连续;(2)可导。
【答疑编号11030110:针对该题提问】 解:(1)
(2)
七、小结
1. 导数的实质:增量比的极限; 2. 导数的几何意义:切线的斜率;
3. 函数可导一定连续,但连续不一定可导;
4.
5. 求导数最基本的方法:由定义求导数. 6. 判断可导性
3.2 求导法则
3.3 基本求导公式
一、和、差、积、商的求导法则 1. 定理: 如果函数处也可导,并且
在点x 处可导,则它们的和、差、积、商(分母不为零)在点x
推论
2. 例题分析 例1、求
的导数。
【答疑编号11030201:针对该题提问】 解
例2、求
的导数。
【答疑编号11030202:针对该题提问】 解
例3、求y=tanx的导数。
【答疑编号11030203:针对该题提问】 解
同理可得
例4、求y=secx的导数。
【答疑编号11030204:针对该题提问】 解
同理可得
例5、131页例2 设
,求
.
【答疑编号11030205:针对该题提问】
二、反函数的导数 1. 定理: 如果函数
在某区间
内单调、可导且
,那么它的反函数
在对应区间
内也可导,且有
即 反函数的导数等于直接函数导数的倒数. 2. 例题分析
例6、求函数y=arcsinx的导数
【答疑编号11030206:针对该题提问】 解
同理可得
例7、求函数
的导数。
【答疑编号11030207:针对该题提问】 解
特别地
三、小结:初等函数的求导问题 1. 常数和基本初等函数的导数公式
2. 函数的和、差、积、商的求导法则 设
u=u(x ),v=v(x )可导,则
例8、127页1题(6)(14)(15)
(1)1题(6)小题
【答疑编号11030208:针对该题提问】 解:
(2)1题(14)小题
【答疑编号11030209:针对该题提问】 解:
(3)1题(15)小题
【答疑编号11030210:针对该题提问】 解:
例9、115页3
若一直线运动的运动方程为
【答疑编号11030211:针对该题提问】 解:
,求在t=3时运动的瞬时速度。
例10、115页5 求曲线
的与直线y=5x的平行的切线。
【答疑编号11030212:针对该题提问】
另一条求出来是
四、分段函数的求导问题 1.114页定理:设 (1)如果函数
,则
(2)如果函数
,则
在
在
上连续,在
上可导,且当
时
上连续,在
上可导,且当
时
2. 分段函数的求导问题举例
例11、 116页11 求下列分段函数f (x )的
:
(1)
【答疑编号11030213:针对该题提问】 解:
五、复合函数的求导法则 1. 复合函数的求导法则 定理 如果函数
在点x 0可导,而y=f(u )在点
可导,则复合函数
在点x 0可导,且其导数为
即 因变量对自变量求导,等于因变量对中间变量求导,乘以中间变量对自变量求导。(链式法则) 推广 设
,则复合函数
的导数为
2. 例题分析
例1. 求函数y=lnsinx的导数。
【答疑编号11030301:针对该题提问】
解 ∵y=lnu,u=sinx.
例2. 已知y=(2x -3x+5),求
2100
。
【答疑编号11030302:针对该题提问】
例3. 求y=sin5x的导数
【答疑编号11030303:针对该题提问】
例4. 求函数的导数
【答疑编号11030304:针对该题提问】
解
例5. (教材133页习题3.3,1题(2)小题)求 【答疑编号11030305:针对该题提问】
的导数
例6. 求
的导数
【答疑编号11030306:针对该题提问】
例7. 求的导数(a>0)
【答疑编号11030307:针对该题提问】
例8. 求函数的导数
【答疑编号11030308:针对该题提问】
解
例9. (教材128页习题3.2,3题(5)小题)求
的导数
【答疑编号11030309:针对该题提问】
n
例10. (教材128页习题3.2,3题(7)小题)求y=(sinnx )(cos x )的导数 【答疑编号11030310:针对该题提问】
例11. 求
的导数
【答疑编号11030311:针对该题提问】
例12. 求的导数
【答疑编号11030312:针对该题提问】
例13. 求的导数
【答疑编号11030313:针对该题提问】
例14. 求
的导数
【答疑编号11030314:针对该题提问】
例15. (教材习题3.2,8题)已知b 。
【答疑编号11030315:针对该题提问】
在点x =1可导,求a ,
幂指函数、抽象的复合函数的求导例题
一、幂指函数求导
x
例1: x
【答疑编号11030401:针对该题提问】
例2: y=(sinx )求y '
【答疑编号11030402:针对该题提问】
cosx
二、抽象的复合函数求导
例3:设f (u )可导,求下列函数的导数 (1)f (lnx )+lnf(x )
【答疑编号11030403:针对该题提问】 解:
(2)y=f(e )
【答疑编号11030404:针对该题提问】 解:
-x
(3)y= e
f (x )
【答疑编号11030405:针对该题提问】
(4)
【答疑编号11030406:针对该题提问】
(5)
【答疑编号11030407:针对该题提问】
3.4 高阶导数
一、高阶导数的定义
问题:变速直线运动的加速度。
设s=f(t ),则瞬时速度为v (t )=f'(t ) ∵加速度α是速度v 对时间t 的变化率 ∴a(t )=v'(t )=[f'(t )]'
定义 如果函数f (x )的导数f '(x )在点x 处可导,即
存在,则称(f '(x ))'为在点x 处的二阶导数。
记作。
二阶导数的导数称为三阶导数, 。
三阶导数的导数称为四阶导数,
例4:y=3x+sinx
【答疑编号11030408:针对该题提问】
2
。
一般地,函数f (x )的n-1阶导数的导数称为函数f (x )的n 阶导数,记作
相应地,f (x )称为零阶导数;f '(x )称为一阶导数。 例5:求下列函数的二阶导数: (1)y=ax+b
【答疑编号11030409:针对该题提问】
(2)y=cos nx;
【答疑编号11030410:针对该题提问】
(3)y=e
【答疑编号11030411:针对该题提问】
sinx
二、对于某些特殊的导数的高阶导数是有规律的。 例6:求下列函数的n 阶导数
x
(1)y=e
【答疑编号11030412:针对该题提问】
(2)y=x
【答疑编号11030413:针对该题提问】
5
例7:设y=x求y 解:
用数学归纳法可以证明:
特别,当μ=n时,即y=xn,其n 阶导数 (n ) n(n )
y = (x )=n!
【答疑编号11030414:针对该题提问】 例8:
【答疑编号11030415:针对该题提问】
μ
(n )
例9:设y=(x +1)(x +x+1),求y 【答疑编号11030416:针对该题提问】
2
10
9
3
(30)
例10:设y=sinx,求y 。
【答疑编号11030417:针对该题提问】 解
„„
(n )
同理可得 注意:求n 阶导数时, 求出1——3或4阶后, 不要急于合并, 分析结果的规律性, 写出n 阶导数. (数学归纳法证明)
例11:设f (x )的n-2阶导数
【答疑编号11030418:针对该题提问】
,求f
(n )
(x )。
3.5 函数的微分
问题的提出
实例:正方形金属薄片受热后面积的改变量. 设边长由x 0变到x 0+△x,
∵正方形面积 ∴
是△x的线性函数且为△A的主要部分,
是△x的高阶无穷小,当|△x|很小时可忽略。
微分的定义
定义:设函数y=f(x )在某区间内有定义,x 0及x 0+△x在这区间内,如果
成立(其中A 是与△x无关的常数),则称函数 y=f(x )在点x 0可微,并且称A·△x为函数 y=f(x )在点x 0相应于自变量增量△x的微分, 记作
微分dy 叫做函数增量△y的线性主部。(微分的实质) 可微的条件
定理:函数f (x )在点x 0可微的充要条件是函数f (x )在点x 0处可导,且
通常把自变量x 的增量△x称为自变量的微分,记作dx ,即dx=△x
即函数的微分dy 与自变量的微分dx 之商等于该函数的导数,导数也叫“微商”。 微分的几何意义 几何意义:(如图)
当△y是曲线的纵坐标增量时,dy 就是切线纵坐标对应的增量,当|△x |很小时,在点M 的附近,切线段MP 可近似代替曲线段MN 。
微分的求法
求法: 计算函数的导数, 乘以自变量的微分。 1. 基本初等函数的微分公式
2. 函数和、差、积、商的微分法则
例1:设
,求dy 。
【答疑编号11030501:针对该题提问】
例2:,求dy 。
【答疑编号11030502:针对该题提问】
例3:
,求dy 。
【答疑编号11030503:针对该题提问】
微分形式的不变性
设函数y=f(x )有导数f '(x )
(1)若x 是自变量时,dy= f'(x )dx
(2)若x 是中间变量时,同样有
, 结论:无论x 是自变量还是中间变量,函数y=f(x )的微分形式总是
这就是微分形式的不变性
例4: 设y=sin(2x+1),求dy 。
【答疑编号11030504:针对该题提问】
解法一:
解法二:∵y=sinu,u=2x+1 ∴dy=cosudu=cos(2x+1)d (2x+1) =cos(2x+1)·2dx=2cos(2x+1)dx 例5(P144、例6(1)): 设函数f (u )可微,求函数y=f(lnx )的微分: 【答疑编号11030505:针对该题提问】 解:
例6:求
【答疑编号11030506:针对该题提问】
例7(P144、例7):求
【答疑编号11030507:针对该题提问】
利用微分计算函数的近似值
求f (x )在点x=x0附近的近似值;
例8:计算的近似值。
【答疑编号11030508:针对该题提问】
解:
3.6 导数和微分在经济学中的简单应用,由于知识体系的关联性,我们把本节放到
第四章后面讲。
第三章 一元函数的导
数和微分
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3.1 导数概念
一、问题的提出 1. 切线问题
割线的极限位置——切线位置
如图,如果割线MN 绕点M 旋转而趋向极限位置MT ,直线MT 就称为曲线C 在点M 处的切线.
极限位置即
切线MT 的斜率为
2. 自由落体运动的瞬时速度问题
二、导数的定义 设函数y=f(x )在点
的某个邻域内有定义,当自变量x 在
处取得增量Δx
(点
;如果Δy 与
处可导,并称这个极限为函
仍在该邻域内)时,相应地函数y 取得增量
Δx 之比当Δx→0时的极限存在,则称函数y=f(x )在点
数y=f(x )在点 即
其它形式
处的导数,记为
关于导数的说明: 在点
处的导数是因变量在点处的变化率,它反映了因变量随自变量的变化而变
化的快慢程度。
如果函数y=f(x )在开区间I 内的每点处都可导,就称函数f (x )在开区间I 内可导。 对于任一
,都对应着f (x )的一个确定的导数值,这个函数叫做原来函数f (x )
的导函数,记作
注意:
2. 导函数(瞬时变化率)是函数平均变化率的逼近函数. 导数定义例题: 例1、115页8
设函数f (x )在点x=a可导,求:
(1)
【答疑编号11030101:针对该题提问】
(2)
【答疑编号11030102:针对该题提问】
三、单侧导数 1. 左导数:
2. 右导数:
函数f (x )在点
处可导
左导数
和右导数
都存在且相等.
例2、讨论函数f (x )=|x|在x=0处的可导性。 【答疑编号11030103:针对该题提问】 解
闭区间上可导的定义:如果f (x )在开区间(a ,b )内可导,且在,就说f (x )在闭区间[a,b]上可导. 由定义求导数 步骤:
及
都存
例3、求函数f (x )=C(C 为常数)的导数。 【答疑编号11030104:针对该题提问】 解
例4、设函数
【答疑编号11030105:针对该题提问】 解
同理可以得到
例5、求
例6、求函数
的导数。
【答疑编号11030106:针对该题提问】 解
例7、求函数的导数。
【答疑编号11030107:针对该题提问】 解
四、常数和基本初等函数的导数公式
五、导数的几何意义
表示曲线y=f(x )在点
处的切线的斜率,即
切线方程为
法线方程为
例8、求双曲线处的切线的斜率,并写出在该点处的切线方程和法线
方程。
【答疑编号11030108:针对该题提问】 解
由导数的几何意义, 得切线斜率为
所求切线方程为
法线方程为
六、可导与连续的关系
1. 定理 凡可导函数都是连续函数.
注意:该定理的逆定理不成立,即:连续函数不一定可导。 我们有:不连续一定不可导
极限存在、连续、可导之间的关系。
2. 连续函数不存在导数举例
例9、讨论函数在x=0处的连续性与可导性。
【答疑编号11030109:针对该题提问】 解:
例10、 P115第10题
设,α在什么条件下可使f (x )在点x=0处。
(1)连续;(2)可导。
【答疑编号11030110:针对该题提问】 解:(1)
(2)
七、小结
1. 导数的实质:增量比的极限; 2. 导数的几何意义:切线的斜率;
3. 函数可导一定连续,但连续不一定可导;
4.
5. 求导数最基本的方法:由定义求导数. 6. 判断可导性
3.2 求导法则
3.3 基本求导公式
一、和、差、积、商的求导法则 1. 定理: 如果函数处也可导,并且
在点x 处可导,则它们的和、差、积、商(分母不为零)在点x
推论
2. 例题分析 例1、求
的导数。
【答疑编号11030201:针对该题提问】 解
例2、求
的导数。
【答疑编号11030202:针对该题提问】 解
例3、求y=tanx的导数。
【答疑编号11030203:针对该题提问】 解
同理可得
例4、求y=secx的导数。
【答疑编号11030204:针对该题提问】 解
同理可得
例5、131页例2 设
,求
.
【答疑编号11030205:针对该题提问】
二、反函数的导数 1. 定理: 如果函数
在某区间
内单调、可导且
,那么它的反函数
在对应区间
内也可导,且有
即 反函数的导数等于直接函数导数的倒数. 2. 例题分析
例6、求函数y=arcsinx的导数
【答疑编号11030206:针对该题提问】 解
同理可得
例7、求函数
的导数。
【答疑编号11030207:针对该题提问】 解
特别地
三、小结:初等函数的求导问题 1. 常数和基本初等函数的导数公式
2. 函数的和、差、积、商的求导法则 设
u=u(x ),v=v(x )可导,则
例8、127页1题(6)(14)(15)
(1)1题(6)小题
【答疑编号11030208:针对该题提问】 解:
(2)1题(14)小题
【答疑编号11030209:针对该题提问】 解:
(3)1题(15)小题
【答疑编号11030210:针对该题提问】 解:
例9、115页3
若一直线运动的运动方程为
【答疑编号11030211:针对该题提问】 解:
,求在t=3时运动的瞬时速度。
例10、115页5 求曲线
的与直线y=5x的平行的切线。
【答疑编号11030212:针对该题提问】
另一条求出来是
四、分段函数的求导问题 1.114页定理:设 (1)如果函数
,则
(2)如果函数
,则
在
在
上连续,在
上可导,且当
时
上连续,在
上可导,且当
时
2. 分段函数的求导问题举例
例11、 116页11 求下列分段函数f (x )的
:
(1)
【答疑编号11030213:针对该题提问】 解:
五、复合函数的求导法则 1. 复合函数的求导法则 定理 如果函数
在点x 0可导,而y=f(u )在点
可导,则复合函数
在点x 0可导,且其导数为
即 因变量对自变量求导,等于因变量对中间变量求导,乘以中间变量对自变量求导。(链式法则) 推广 设
,则复合函数
的导数为
2. 例题分析
例1. 求函数y=lnsinx的导数。
【答疑编号11030301:针对该题提问】
解 ∵y=lnu,u=sinx.
例2. 已知y=(2x -3x+5),求
2100
。
【答疑编号11030302:针对该题提问】
例3. 求y=sin5x的导数
【答疑编号11030303:针对该题提问】
例4. 求函数的导数
【答疑编号11030304:针对该题提问】
解
例5. (教材133页习题3.3,1题(2)小题)求 【答疑编号11030305:针对该题提问】
的导数
例6. 求
的导数
【答疑编号11030306:针对该题提问】
例7. 求的导数(a>0)
【答疑编号11030307:针对该题提问】
例8. 求函数的导数
【答疑编号11030308:针对该题提问】
解
例9. (教材128页习题3.2,3题(5)小题)求
的导数
【答疑编号11030309:针对该题提问】
n
例10. (教材128页习题3.2,3题(7)小题)求y=(sinnx )(cos x )的导数 【答疑编号11030310:针对该题提问】
例11. 求
的导数
【答疑编号11030311:针对该题提问】
例12. 求的导数
【答疑编号11030312:针对该题提问】
例13. 求的导数
【答疑编号11030313:针对该题提问】
例14. 求
的导数
【答疑编号11030314:针对该题提问】
例15. (教材习题3.2,8题)已知b 。
【答疑编号11030315:针对该题提问】
在点x =1可导,求a ,
幂指函数、抽象的复合函数的求导例题
一、幂指函数求导
x
例1: x
【答疑编号11030401:针对该题提问】
例2: y=(sinx )求y '
【答疑编号11030402:针对该题提问】
cosx
二、抽象的复合函数求导
例3:设f (u )可导,求下列函数的导数 (1)f (lnx )+lnf(x )
【答疑编号11030403:针对该题提问】 解:
(2)y=f(e )
【答疑编号11030404:针对该题提问】 解:
-x
(3)y= e
f (x )
【答疑编号11030405:针对该题提问】
(4)
【答疑编号11030406:针对该题提问】
(5)
【答疑编号11030407:针对该题提问】
3.4 高阶导数
一、高阶导数的定义
问题:变速直线运动的加速度。
设s=f(t ),则瞬时速度为v (t )=f'(t ) ∵加速度α是速度v 对时间t 的变化率 ∴a(t )=v'(t )=[f'(t )]'
定义 如果函数f (x )的导数f '(x )在点x 处可导,即
存在,则称(f '(x ))'为在点x 处的二阶导数。
记作。
二阶导数的导数称为三阶导数, 。
三阶导数的导数称为四阶导数,
例4:y=3x+sinx
【答疑编号11030408:针对该题提问】
2
。
一般地,函数f (x )的n-1阶导数的导数称为函数f (x )的n 阶导数,记作
相应地,f (x )称为零阶导数;f '(x )称为一阶导数。 例5:求下列函数的二阶导数: (1)y=ax+b
【答疑编号11030409:针对该题提问】
(2)y=cos nx;
【答疑编号11030410:针对该题提问】
(3)y=e
【答疑编号11030411:针对该题提问】
sinx
二、对于某些特殊的导数的高阶导数是有规律的。 例6:求下列函数的n 阶导数
x
(1)y=e
【答疑编号11030412:针对该题提问】
(2)y=x
【答疑编号11030413:针对该题提问】
5
例7:设y=x求y 解:
用数学归纳法可以证明:
特别,当μ=n时,即y=xn,其n 阶导数 (n ) n(n )
y = (x )=n!
【答疑编号11030414:针对该题提问】 例8:
【答疑编号11030415:针对该题提问】
μ
(n )
例9:设y=(x +1)(x +x+1),求y 【答疑编号11030416:针对该题提问】
2
10
9
3
(30)
例10:设y=sinx,求y 。
【答疑编号11030417:针对该题提问】 解
„„
(n )
同理可得 注意:求n 阶导数时, 求出1——3或4阶后, 不要急于合并, 分析结果的规律性, 写出n 阶导数. (数学归纳法证明)
例11:设f (x )的n-2阶导数
【答疑编号11030418:针对该题提问】
,求f
(n )
(x )。
3.5 函数的微分
问题的提出
实例:正方形金属薄片受热后面积的改变量. 设边长由x 0变到x 0+△x,
∵正方形面积 ∴
是△x的线性函数且为△A的主要部分,
是△x的高阶无穷小,当|△x|很小时可忽略。
微分的定义
定义:设函数y=f(x )在某区间内有定义,x 0及x 0+△x在这区间内,如果
成立(其中A 是与△x无关的常数),则称函数 y=f(x )在点x 0可微,并且称A·△x为函数 y=f(x )在点x 0相应于自变量增量△x的微分, 记作
微分dy 叫做函数增量△y的线性主部。(微分的实质) 可微的条件
定理:函数f (x )在点x 0可微的充要条件是函数f (x )在点x 0处可导,且
通常把自变量x 的增量△x称为自变量的微分,记作dx ,即dx=△x
即函数的微分dy 与自变量的微分dx 之商等于该函数的导数,导数也叫“微商”。 微分的几何意义 几何意义:(如图)
当△y是曲线的纵坐标增量时,dy 就是切线纵坐标对应的增量,当|△x |很小时,在点M 的附近,切线段MP 可近似代替曲线段MN 。
微分的求法
求法: 计算函数的导数, 乘以自变量的微分。 1. 基本初等函数的微分公式
2. 函数和、差、积、商的微分法则
例1:设
,求dy 。
【答疑编号11030501:针对该题提问】
例2:,求dy 。
【答疑编号11030502:针对该题提问】
例3:
,求dy 。
【答疑编号11030503:针对该题提问】
微分形式的不变性
设函数y=f(x )有导数f '(x )
(1)若x 是自变量时,dy= f'(x )dx
(2)若x 是中间变量时,同样有
, 结论:无论x 是自变量还是中间变量,函数y=f(x )的微分形式总是
这就是微分形式的不变性
例4: 设y=sin(2x+1),求dy 。
【答疑编号11030504:针对该题提问】
解法一:
解法二:∵y=sinu,u=2x+1 ∴dy=cosudu=cos(2x+1)d (2x+1) =cos(2x+1)·2dx=2cos(2x+1)dx 例5(P144、例6(1)): 设函数f (u )可微,求函数y=f(lnx )的微分: 【答疑编号11030505:针对该题提问】 解:
例6:求
【答疑编号11030506:针对该题提问】
例7(P144、例7):求
【答疑编号11030507:针对该题提问】
利用微分计算函数的近似值
求f (x )在点x=x0附近的近似值;
例8:计算的近似值。
【答疑编号11030508:针对该题提问】
解:
3.6 导数和微分在经济学中的简单应用,由于知识体系的关联性,我们把本节放到
第四章后面讲。