当前课程知识点:微积分(先修课) > 第三章 导数与微分 > 3.5 高阶导数 > 3.5.1 高阶导数
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微积分课程
今天我们介绍
第三章 导数与微分
第五节 高阶导数
前面我们已经介绍了
函数的导数
但在许多问题中
我们还会遇到
对导数再求导的问题
这就是函数的高阶导数问题
在这一讲中
我们将要介绍
高阶导数的概念
和高阶导数的计算问题
我们首先看一下
高阶导数的概念
我们前面已经讨论过
函数在一点的导数
但是在许多实际问题中
我们还会用到
对导数进行求导的情况
譬如
如果我们知道
物体运动的距离与运动时间之间的关系
那么距离关于时间的导数
表示的就是瞬时速度
也就是速度v(t)
应该等于距离s(t)的导数
物体在某一个时刻t的加速度
指的应该是速度关于时间的变化率
也就是速度关于时间的导数
这样加速度就是距离函数的导数的导数
比如
对于自由落体运动
s(t)等于4.9倍的t方
我们就有他在每一时刻的速度
v(t)等于s'(t)
等于9.8倍的t
而他在每一时刻加速度
就是v的导数
也就等于9.8
对一般的函数来说
我们假设函数
f(x)在区间(a,b)内有定义
并且在(a,b)中的每一点都可导
如果导函数f'(x)
在点x0处也是可导的
我们就把导函数的导数
称为函数f(x)
在x0这一点处的二阶导数
我们用f''(x0)来表示
函数在x0这一点处的二阶导数
也就是说函数在这一点处的二阶导数
就是它的一阶导数在x0这点再求导
一般的
函数f(x)的三阶导数
定义为它的二阶导数的导数
我们将二阶和高于二阶的导数
统称为函数的高阶导数
函数f(x)的n阶导数
我们一般加一个上标n
带一括号来表示
或者是表示成d n f(x)
比上d x n
也就是说函数的n阶导数
就定义为它的n-1阶导数的导数
事实上
从前面我们介绍就可以看出
函数的高阶导数
就是利用函数在一点导数的概念
以及归纳的方法
由一阶定义出了二阶导数
进而定义出了三阶四阶以至n阶导数
下面我们介绍一下
高阶导数的求法
事实上从我们介绍的高阶导数的定义
我们可以看出
对函数求二阶导
实际上就是对函数的一阶导再求导
如果求三阶导那就是对二阶导再求导
也就是说
所谓高阶导数的求法
就是函数一阶导数的求法
接下来我们通过几道具体的例题来看一看
我们求高阶导数时
需要注意的问题
第一个例题
我们求函数
f(x)等于x的平方加2倍的x加3
它的二阶导数
我们知道这个函数
它的一阶导数
利用幂函数的导数公式
和导数的四则运算法则
就会得到
一阶导就等于2倍x加2
根据二阶导数的定义
我们要求的这个函数的二阶导
就等于2
所以说它的二阶导数
应该就是常数
下面我们来看第二道例题
我们已知f(x)在x不等于0时
他的函数值
是x的四次方乘上sin x分之1
因为这个函数在0这一点
它的函数值是单独给出定义的
那么对于这样的函数来说
我们求他在0这一点的二阶导数
对特殊的点
我们要求导数
需要注意导数的存在性
也就是说
我们一般的是
用导数的定义
来进行求解的
对这个函数来说
在x不等于0时
它的一阶导数
我们可以求出来是
4倍的x三次方乘上sin x分之1
减掉x平方再乘上cos x分之1
而在x等于0时
我们由导数定义
可以求出他在0这一点的导数
是等于0的
所以我们就得到了这个函数
他的导函数的表达式
也就是说
在x等于0时
导数等于0
在x不等于0时
他的导数就是
4倍的x三次方乘上sin x分之1
减掉x平方乘上cos x分之1
这样我们利用定义就会得到
这个函数
在0这点的二阶导数
也就是等于f'(x)减掉f'(0)
除上x在x趋向于0时的极限
这个极限我们可以求出来
它的值是等于0
所以我们求得这个函数
在0这点的二阶导数值
就等于0
接下来我们来看第三道例题
我们假设
函数f与g都具有二阶导数
我们求y等于f(g(x))
这个复合函数的二阶导数
根据复合函数的链导法则
我们知道
这个函数
它的一阶导数
就等于f的一阶导在g(x)这点的取值
再乘上g(x)的一阶导
我们要求二阶导数
也就是对这个表达式进一步求导
这是两个函数乘积的导数问题
再求导的过程
请大家注意
第一个因子
关于x来说
它仍然是复合函数
所以对第一个因子求导时
我们仍然应该应用复合函数的链导法则
这样我们就得到
第一个因子关于x的导数
就等于f的两阶导
在g(x)这点的取值
再乘上g(x)的导数
所以我们要求的二阶导数
就等于f的两阶导
在g(x)这点的取值
乘上g(x)导数的平方
再加上f的一阶导
在g(x)这点的取值
乘上g(x)的两阶导数
下面我们来看第四道例题
我们已知函数y等于y(x)
由下面这个方程确定
这个方程是x减y
加上2分之1倍的siny等于0
我们来求这个隐函数的二阶导数
根据隐函数的求导方法
我们在方程两端关于x求导
y看作是中间变量
我们就会得到一阶导满足的方程
1减掉y'加上2y'分之1
乘上cosy等于0
我们要求隐函数的二阶导数
就是在这个新的方程两端
再关于x求导
其中y y'都当做是中间变量
这样我们就会得到二阶导满足的等式
也就是负的y''
加上2分之1倍的y''乘上cosy
再减掉y'的平方
再乘上siny等于0
这就是我们要求的二阶导数
满足的一个一次方程
在这个方程中我们就可以求得
我们要求的二阶导数
也就是
最后的结果是
y的二阶导数等于
负的2分之1倍的siny除上
括号里面1减2分之1cosy
括起来的3次方
接下来我们来看第五道例题
我们假设
函数y等于f(x)
由下面这个参数方程确定
参数方程是x等于2分之1倍的t方
y等于1减t
我们来求这个函数关于x的二阶导数
这是一个参数方程确定的函数
求高阶导数的问题
首先我们根据
参数方程确定的函数的求导公式
就会得到f关于x的一阶导数
也就是f'(x)
就等于y关于t的导数
除上x关于t的导数
也就等于负的t分之1
那么根据二阶导数的定义
我们对于一阶导数再关于x求导
在这个求导过程中
请大家注意
负的t分之1中
t实际是中间变量
所以我们要求的f关于x的二阶导数
就等于负的t分之1关于t求导
再乘上t关于x求导
负的t分之1关于t的导数
是t的平方分之1
而t关于x的导数
应该就等于x关于t的导数的倒数
所以我们最后求的结果是
t的三次方分之1
前面这三个例题
我们主要是通过具体的题目
强调一下
复合函数 隐函数
以及参数方程确定的函数
在求高阶导数时需要大家注意的问题
下面我们看第六道例题
我们求指数函数
a的x次方它的n阶导数
我们根据指数函数的导数公式知道
它的一阶导数就是a的x次方
乘上a的自然对数
二阶导数就等于a的x次方
乘上a的自然对数的平方
三阶导数就等于a的x次方
乘上a的自然对数的三次方
利用归纳的方法我们就知道
我们要求的n阶导数就等于
a的x次方乘上a的自然对数的n次方
接下来我们来看第七道例题
我们求函数f(x)等于
ln 1加x的n阶导数
这是一个简单的对数函数
根据对数函数的导数公式
以及复合函数的链导法则
我们就得到f的一阶导
就等于1加x分之1
二阶导就等于负1
除上1加x括起来的平方
三阶导就等于负1乘上负2
再除上1加x括起来的三次方
同样的我们利用归纳的方法就会得到
这个函数的n阶导数就等于
负1的n减1次方乘上n减1的阶乘
除上1加x括起来的n次方
由这个题目的求解过程
我们不难得出
1加x分之1它的n阶导数
应该就等于负1的n次方
乘上n的阶乘
再除上1加x括起来的n加1次方
我们看第八道例题
我们求正弦函数它的n阶导数
我们知道
正弦函数的一阶导数就是余弦函数
而根据三角函数的诱导公式
我们知道
cosx也可以表示成
sin x加2分之π
这样我们就会求出
f(x)的二阶导数就等于
cos x加2分之π
用诱导公式进一步得到
他就等于sin x
加上2倍的2分之π
同样的我们就会得到
f(x)的三阶导数就等于
sin x加上3倍的2分之π
这样我们利用归纳的方法就会得到
正弦函数的n阶导数就等于
sin x加上n倍2分之π
同样的我们可以求得
余弦函数的n阶导数就等于
cos x加上n倍的2分之π
在前面的几道例题中我们分别给出了
指数函数 对数函数 简单的幂函数
以及正弦和余弦函数的n阶导数公式
这几个简单函数的n阶导数公式
在我们微积分的学习过程中
是非常重要的
请同学们一定要记得准确
用的熟练
下面
我们来看第九道例题
我们来求函数f(x)
等于1除上1加x乘上2加x
它的n阶导数
对这个函数来说
我们不能像前面几个简单函数那样
利用归纳的方法直接得到
他的n阶导数公式
但是根据这个函数的特点
我们可以将这个函数拆成两项的和差
也就是f(x)可以写成
1加x分之1减掉2加x分之1
我们知道1加x分之1它的n阶导数
就等于负1的n次方乘上n的阶乘
除上1加x括起来的n加1次方
而2加x分之1它的n阶导数
就等于负1的n次方乘上n的阶乘
除上2加x括起来的n加1次方
这样我们就得到了
我们要求的f(x)的n阶导数
在这道例题中
我们用到了两个函数之差的n阶导数
等于他们n阶导数之差这个结果
事实上
关于n阶导数的计算
我们有下面的定理
定理7
我们假设f(x)和g(x)
都存在n阶导数
那么f(x)加上g(x)它的n阶导数
就等于f的n阶导数加上
g(x)的n阶导数
f(x)乘上一个实数它的n阶导数
就等于这个实数乘上f(x)的n阶导数
f(x)与g(x)乘积的n阶导数
就等于C(n,k)
乘上f的k阶导数
再乘上g的n减k阶导数
关于k从0到n求和
在这儿C(n,k)表示的
是从n个数里拿出k个的组合数
一般的
我们将两个函数乘积的n阶导数公式
称为莱布尼茨公式
下面我们来看这个定理的证明
前两个等式它的证明
留给同学作为练习
在这儿我们只介绍
第三个等式的证明
我们利用归纳法进行证明
当n等于1时
利用两个函数乘积的导数公式
我们知道这个时候
莱布尼茨公式是成立的
我们假设当n等于m时
莱布尼茨公式也是成立的
下面我们来证明
莱布尼茨公式对n等于m加1时
也是成立的
事实上根据高阶导数的定义
我们知道
f乘上g的m加1阶导数
就是他们乘积的
m阶导数的导数
对这个乘积的m阶导数
我们将归纳假设得到的
莱布尼茨公式代入
这样我们遇到的问题就是要求
m加1个函数加起来他们的求导问题
根据和函数的求导公式
我们就将每一项先求导后求和
而每一项又可以理解成
是两个函数乘积的导数
我们利用乘积函数的导数公式
这样我们就把f乘g的m加1阶导数
表示成了两部分的和
在第一部分中
我们做一个变量替换
我们就让k加1等于i
这时候k从0到m求和就变成了
i从1到m加1求和
而我们知道
这个和的值
与这个变量的记号无关
所以我们又将它表示成
对k从1到m加1求和
注意到我们前面两项之间的关系
我们就将f乘g的m加1阶导数
表示成了C m 0
乘上f的0阶导
再乘上g的m加1阶导
再加上k从1到m求和
被求和的表达式
系数是C m k-1
加上C m k
再乘上f的k阶导加上
gx的m加1减k阶导
最后再加上一项
系数是C m m乘上f的m加1阶导
再乘上g的0阶导
大家注意到组合数的一个简单性质
也就是C m k-1
加上C m k
就等于C m+1 k
这样我们就将
我们这三部分之和
整理成了一个统一的形式
也就是我们要对C m+1 k乘上
f的k阶导再乘上g的m加1减k阶导
对k从1到m加1求和
而这正是莱布尼茨公式
当n等于m加1时的形式
这样我们就利用归纳法证明了
莱布尼茨公式
对于任意的n阶导数都是成立的
下面我们利用莱布尼茨公式
来做两道具体的题目
例10
我们假设y等于x除上1加x的平方
我们来求y的n阶导满足的递推关系
我们将y等于x除上1加x的平方变形
就会得到
1加x的平方乘上y等于x
根据幂函数的导数公式我们知道
求完导之后等号左边就含有三项
分别是
1加x平方不求导乘上y的n阶导数
再加上C n 1
乘上1加x的平方的一阶导数
再乘上y的n减1阶导数
再加上C n 2
乘上1加x的平方的二阶导数
再乘上y的n减2阶导数
而等号的右边x求n阶导
只要n大于等于2
他就等于0
这样我们就得到了y的n阶导数
与他的n减1阶导数
和n减2阶导数
之间的一个递推关系
其中y的一阶导
就等于1减x平方除上
1加x平方括起来的平方
而他的0阶导
指的就是函数本身
这是一个两步递推公式
有了0阶导 1阶导
我们就可以进一步得到2阶导 3阶导
下面我们来看最后一道例题
我们求x平方
乘上sinx他的n阶导数
我们知道
这个函数的1阶导
就等于两倍的x乘上sinx
加上x平方乘上cosx
我们对一阶导数再求导
就会得到它的二阶导数
当n大于等于3时
我们根据莱布尼茨公式
就会得到我们要求的n阶导数
就是下面这三项之和
第一项x平方不求导
sinx求n阶导
第二项
C n 1乘上x平方一阶导
再乘上sinx的n减1阶导
第三项
是C n 2乘上x平方2阶导
再乘上sinx的n减2阶导
在这一讲中
我们介绍了高阶导数的概念
给出了几个简单函数的n阶导数公式
并证明了乘积函数n阶导数的
莱布尼茨公式
同时我们也强调了
对复合函数 隐函数
参数方程确定的函数
在求高阶导数时应注意的问题
到这一讲为止
我们第三章的内容
就全部介绍完了
从下一讲开始
我们将要学习第四章
微分中值定理与导数的应用
谢谢同学们
下一讲 再见
-0.1 绪论
--0.1.1 绪论
-1.1 极限概念引例
--第1.1节测试 极限概念引例
-1.2 极限的概念
--第1.2节测试 极限的概念
-1.3 极限的性质
--第1.3节测试 极限的性质
-1.4 极限的运算
--第1.4节测试 极限的运算
-1.5 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(1) 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(2) 夹逼定理与单调有界收敛定理
-1.6 两个重要的极限
--第1.6节测试 两个重要的极限
-1.7 无穷小量
--第1.7节测试 无穷小量
-2.1 连续函数的概念
--第2.1节测试 连续函数的概念
-2.2. 初等函数的连续性结论
--第2.2节测试 初等函数的连续性结论
-2.3 连续函数的性质
--第2.3节测试 连续函数的性质
-3.1 导数与导函数
--第3.1节测试 导数与导函数
-3.2 微分
--3.2.1 微分
--第3.2节测试 微分
-3.3 导数的运算
--第3.3节测试 导数的运算
-3.4 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--3.4.1 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--第3.4节测试 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
-3.5 高阶导数
--第3.5节测试 高阶导数
-4.1 极值和极值点
--第4.1节测试 极值和极值点
-4.2 微分中值定理
--第4.2节测试 微分中值定理
-4.3 洛必达法则
--第4.3节测试(1) 洛必达法则
--第4.3节测试(2) 洛必达法则
-4.4 函数单调性的判定
--第4.4节测试 函数单调性的判断
-4.5 函数的极值及其求法
--第4.5节测试 函数的极值及其求法
-4.6 函数的最值及其应用
--第4.6节测试 函数的最值及其应用
-4.7 曲线的凸性和拐点
--第4.7节测试 函数的凸性和拐点
-4.8 曲线的渐近线
--第4.8节测试 曲线的渐近线
-4.9 泰勒(Taylor)公式
--第4.9节测试 泰勒公式
-4.10 原函数与微分方程初步
--第4.10节测试 原函数与微分方程初步
-5.1 定积分问题举例
-5.2 定积分的概念
--第5.2节测试 定积分的概念
-5.3 定积分的基本性质
--第5.3节测试 定积分的性质
-5.4 微积分基本定理
--第5.4节测试 微积分基本定理
-5.5 定积分的几何应用
--第5.5节测试 定积分的几何应用
-5.6 定积分的物理应用
-6.1 换元积分法
--第6.1节测试 换元积分法
-6.2 分部积分法
--第6.2节测试 分部积分法
-6.3 有理函数的积分法
--第6.3节测试 有理函数的积分法
-6.4 定积分应用举例
--第6.4节测试 定积分应用举例
-6.5 反常积分
--第6.5节测试 反常积分
-7.1 无穷级数
--第7.1节测试 无穷级数
-7.2 正项级数
-7.3 比值判敛法和根式判敛法
--第7.3节测试 比值判敛法和根式判敛法
-7.4 一般项级数
--第7.4节测试 一般项级数
-7.5 幂级数
-7.6 函数的幂级数
--第7.6节测试 函数的幂级数
-7.7 泰勒级数
--第7.7节测试 泰勒级数
-7.8 幂级数的简单应用
-8.1 一阶可求解常微分方程
--第8.1节测试 一阶可求解常微分方程
-8.2 一阶线性微分方程
--第8.2节测试 一阶线性微分方程
-8.3 二阶线性常系数微分方程
--第8.3节测试 二阶线性常系数微分方程
-8.4 常系数微分方程简单应用举例
-期末考试
--期末考试说明
-期末考试--期末考试