卡在這題?用 AI 解開它
calculus

導數詳解:從定義到實際計算

一份清晰、逐步的導數入門——極限定義、核心微分法則,以及如何用免費的 AI 導數計算器來應用它們。
AI-Math Editorial Team

By AI-Math Editorial Team

Published 2026-05-01

微積分素有令人望而生畏的名聲,但導數背後的核心思想其實很簡單:某個東西變化得有多快? 本指南從零開始建立導數——先作為一個幾何想法,再作為一個精確的定義,最後作為一套你可以機械套用的法則工具箱。讀完後,你應該能在紙上對任意多項式、指數或三角函數微分,並用我們的免費導數計算器驗證你的結果。

直觀來說,導數是什麼?

想像你在開車。儀表板上的時速表顯示你的瞬時速度——你的位置此刻變化得有多快。這正是導數所捕捉的:在某一瞬間,一個量相對於另一個量的變化率。

從幾何上看,f(x)f(x) 在點 x0x_0 處的導數,就是曲線 y=f(x)y = f(x) 在 x=x0x = x_0 處切線的斜率。陡的斜率代表變化快;平的斜率代表變化慢;零斜率代表瞬間的峰、谷或停頓。

極限定義

正式的定義使用極限,因為我們要問的是:當兩點之間的間距縮小到零時,你會得到什麼斜率:

f′(x)=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)hf'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{f(x+h) - f(x)}{h}

你從 (x,f(x))(x, f(x)) 與 (x+h,f(x+h))(x+h, f(x+h)) 之間割線的斜率出發,再把 hh 擠壓到趨近 00。這個極限(當它存在時)就是切線斜率。

用極限定義的解題範例

從基本原理求 f(x)=x2f(x) = x^2 的導數。

  1. 計算 f(x+h)=(x+h)2=x2+2xh+h2f(x+h) = (x+h)^2 = x^2 + 2xh + h^2。
  2. 列出差商:f(x+h)−f(x)h=2xh+h2h=2x+h\frac{f(x+h) - f(x)}{h} = \frac{2xh + h^2}{h} = 2x + h。
  3. 取 h→0h \to 0 的極限:f′(x)=2xf'(x) = 2x。

所以 y=x2y = x^2 在任意 xx 處的斜率就是 2x2x——在 x=3x = 3 時斜率是 66,在 x=−1x = -1 時斜率是 −2-2,在 x=0x = 0 時斜率是 00(拋物線的頂點)。

你實際會用到的四條法則

每個導數都用極限定義來做會累死人。於是數學家一勞永逸地證明了一小組法則;你只要機械地套用即可。

1. 冪法則

對任意實數指數 nn:

ddx(xn)=nxn−1\frac{d}{dx}(x^n) = nx^{n-1}

範例:ddx(x5)=5x4\frac{d}{dx}(x^5) = 5x^4、ddx(x1/2)=12x−1/2\frac{d}{dx}(x^{1/2}) = \frac{1}{2}x^{-1/2}、ddx(1/x)=ddx(x−1)=−x−2\frac{d}{dx}(1/x) = \frac{d}{dx}(x^{-1}) = -x^{-2}。

2. 和、差與常數倍

ddx(c⋅f(x)±g(x))=c⋅f′(x)±g′(x)\frac{d}{dx}\bigl(c \cdot f(x) \pm g(x)\bigr) = c \cdot f'(x) \pm g'(x)

微分是線性的:各項獨立處理,常數提到最前面。

3. 乘積律

ddx(f(x)g(x))=f′(x)g(x)+f(x)g′(x)\frac{d}{dx}\bigl(f(x) g(x)\bigr) = f'(x) g(x) + f(x) g'(x)

兩個函數相乘?輪流對每一個微分。

4. 連鎖律

連鎖律處理複合函數 f(g(x))f(g(x)):

ddxf(g(x))=f′(g(x))⋅g′(x)\frac{d}{dx}f(g(x)) = f'(g(x)) \cdot g'(x)

用文字說:對外層函數在內層函數處取值後微分,再乘以內層函數的導數。連鎖律是錯誤最多的來源——每次你看到一個函數套在另一個函數裡,就放慢腳步。

一個完整的解題範例

對 h(x)=(3x2+1)4h(x) = (3x^2 + 1)^4 微分。

  1. 外層函數是 u4u^4(其中 u=3x2+1u = 3x^2 + 1)。它對 uu 的導數是 4u34u^3。
  2. 內層函數是 3x2+13x^2 + 1。它的導數是 6x6x。
  3. 套用連鎖律:h′(x)=4(3x2+1)3⋅6x=24x(3x2+1)3h'(x) = 4(3x^2 + 1)^3 \cdot 6x = 24x(3x^2 + 1)^3。

如果你先去展開 (3x2+1)4(3x^2 + 1)^4,會白白燒掉五分鐘的代數;連鎖律三行就搞定。

值得背熟的常見導數

函數導數
sin⁡(x)\sin(x)cos⁡(x)\cos(x)
cos⁡(x)\cos(x)−sin⁡(x)-\sin(x)
tan⁡(x)\tan(x)sec⁡2(x)\sec^2(x)
exe^xexe^x
ln⁡(x)\ln(x)1/x1/x
axa^xaxln⁡(a)a^x \ln(a)

這五個對任何理工科學生來說都沒有商量餘地——用字卡背就對了。

常見錯誤

  • 忘了連鎖律:ddxsin⁡(2x)=2cos⁡(2x)\frac{d}{dx}\sin(2x) = 2\cos(2x),不是 cos⁡(2x)\cos(2x)。
  • 把常數當成變數:ddx(π2)=0\frac{d}{dx}(\pi^2) = 0,不是 2π2\pi。π\pi 是一個數。
  • 省略記號:當你之後需要代入數值時,卻寫 f′f' 而不是 f′(x)f'(x)——在最後一刻之前都要讓 xx 看得見。
  • 括號放錯位置:ddx(sin⁡x)2\frac{d}{dx}(\sin x)^2 與 ddxsin⁡(x2)\frac{d}{dx}\sin(x^2) 是不同的函數。括號能救命。

接下來該往哪走

一旦你能順手做微分,自然的下一步是:

  • 隱函數微分:對像 x2+y2=25x^2 + y^2 = 25 這種方程式微分,其中 yy 是 xx 的函數但沒有明確給出。
  • 相關變化率:把導數應用到真實世界的變化率(梯子沿牆滑下、水注滿圓錐)。
  • 最佳化:用導數找出函數的極大值與極小值。
  • 積分:反向運算,從 f′f' 還原 ff——見我們的積分計算器。

自己動手試試

把任意函數輸入導數計算器,你就會得到上面展示的逐步推導。半夜想確認作業答案對不對?它是免費的,而且不用註冊。

想看更深入的相關內容,請見:

Frequently Asked Questions

The derivative of f at x is f′(x) = lim_{h→0} [f(x+h) − f(x)] / h. It represents the instantaneous rate of change of f at x, or equivalently the slope of the tangent line to the graph at that point.

The essential rules are the power rule (d/dx xⁿ = nxⁿ⁻¹), sum/difference rule, product rule, quotient rule, and chain rule. Standard derivatives to memorize include d/dx sin x = cos x, d/dx eˣ = eˣ, and d/dx ln x = 1/x.

The derivative dy/dx is the limit of a ratio of changes. The differential dy = f′(x) dx is a small linear approximation of the change in y. Differentials are used in linearization, error estimation, and integration by substitution.

AI-Math Editorial Team

By AI-Math Editorial Team

Published 2026-05-01

A small team of engineers, mathematicians, and educators behind AI-Math, focused on making step-by-step math help accessible to every student.