高数(1)第三章一元函数的导数和微分

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:

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

上连续,在

上可导,且当

上连续,在

上可导,且当

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】

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】

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:

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

上连续,在

上可导,且当

上连续,在

上可导,且当

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】

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】

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。


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