物理微分是微积分在物理学中的重要应用,主要用于描述物理量的变化率。以下是物理中常用的微分计算公式分类整理:
一、基本微分公式
常数函数
$$d(C) = 0 \quad (C \text{为常数})$$
常数的导数为零,其微分为零。
幂函数
$$d(x^n) = nx^{n-1}dx \quad (n \in \mathbb{N})$$
例如:$d(x^2) = 2x \, dx$。
指数函数
$$d(e^x) = e^x \, dx \quad \text{和} \quad d(a^x) = a^x \ln(a) \, dx \quad (a > 0)$$
例如:$d(e^x) = e^x \, dx$,$d(2^x) = 2^x \ln(2) \, dx$。
对数函数
$$d(\ln x) = \frac{1}{x} \, dx \quad \text{和} \quad d(\log_a x) = \frac{1}{x \ln(a)} \, dx \quad (a > 0)$$
例如:$d(\ln x) = \frac{1}{x} \, dx$。
三角函数
$$d(\sin x) = \cos x \, dx \quad d(\cos x) = -\sin x \, dx \quad d(\tan x) = \sec^2 x \, dx \quad d(\cot x) = -\csc^2 x \, dx$$
例如:$d(\sin x) = \cos x \, dx$。
反三角函数
$$d(\arcsin x) = \frac{1}{\sqrt{1-x^2}} \, dx \quad d(\arccos x) = -\frac{1}{\sqrt{1-x^2}} \, dx \quad d(\arctan x) = \frac{1}{1+x^2} \, dx$$
例如:$d(\arcsin x) = \frac{1}{\sqrt{1-x^2}} \, dx$。
二、导数与微分的关系
导数 $f'(x)$ 表示函数在某点的瞬时变化率,微分 $dy = f'(x) \, dx$ 表示函数增量的线性近似。例如:
速度 $v = \frac{ds}{dt}$(位移对时间的导数)
动能公式 $E_k = \frac{1}{2}mv^2$,求导后得 $\frac{dE_k}{dt} = mv \frac{dv}{dt}$
三、应用示例
运动学
位移公式 $s = vt$,微分后得 $\frac{ds}{dt} = v$(速度)
加速度公式 $a = \frac{dv}{dt}$
电学
欧姆定律 $V = IR$,微分后得 $\frac{dV}{dt} = I \frac{dR}{dt}$
电容电压公式 $V = \frac{1}{C} \int I \, dt$,微分后得 $\frac{dV}{dt} = \frac{I}{C}$
四、注意事项
高阶微分公式:$d^n y = n! \frac{d^n y}{dx^n}$(如 $d(\sin x)^2 = -\sin x \cos x$)
导数的四则运算法则:$d(f(x) \pm g(x)) = f'(x) \, dx \pm g'(x) \, dx$
实际应用中需注意函数的可微性条件
以上公式为物理微分计算的基础,结合具体物理问题(如牛顿运动定律、电磁学等)可进一步推导应用公式。