当前课程知识点:微积分——极限理论与一元函数 > 第四章 导数与微分 > 第三节 几种特殊函数的求导法、高阶导数 > 高阶导数
好接下来我们来介绍一下导数部分的最后一个内容
就是有关函数的高阶导数
高阶导数无论是从概念还是从运算来说
都与一阶导数有关
所以说我们就把这部分内容放到我们最后的一节中的第二个问题
就是高阶导数
譬如说我们知道有了导数概念之后
我们知道速度关于时间的导数
就是距离关于时间的导数应该是物体的运动速度
然后接下来如果我们说要求这个运动物体的加速度怎么去求
实际上加速度a(t)应该是速度关于时间的导数
而速度关于时间的导数
也就是原来距离关于时间的导数我们再求导
那实际上这样就会碰到
距离关于时间的二阶导数的问题
再譬如说我们知道一阶导数
它的正负号最后是与函数的单调性有关的
也就是说如果从图上看
这两段曲线它函数关系它的一阶导数的正负号是一致的
应该都是大于0
但是我们为了刻画这两条曲线它那个不同的凹凸情况
也就是它的凸性的不同
那我们仅仅用一阶导数实际是解释不了的
这个时候我们也会用到函数的二阶导数的性质
也就是说高阶导数也是在我们处理一些
常见问题时需要用到的东西
那我们看一下高阶导数的概念是什么
高阶导数的概念是归纳性定义
也就是说如果我假设函数在一个区间上每一点导数都存在
那么它在每一点的导数当然是唯一的
这样我就得到了一个新的函数关系
对这个新的函数关系我们自然还可以问
它有没有导数
也就是我们要问一下
这个一阶导数它有没有导数
如果这个函数有导数
我们就把这个导数的导数称为原来函数的二阶导数
我们记作f两撇(x)
实际上也就是这个等号就是二阶导数的定义
类似的如果一个函数在一个区间上每一点二阶导数值都存在
那么我们又得到了一个新的函数关系
我自然还可以问二阶导数它的导数有没有
如果二阶导数的导数也是存在的
那么它的导数我们就称为原来函数的三阶导数
当然大家知道有了三阶导数之后你自然还有同样的问题
那就会引出四阶导数的概念
但是从记号上大家注意到了
如果我们仅仅用这个'来表示导数运算的时候
我想表示到三阶导数离我距离远的同学可能就看不清楚
到底这是几撇了
所以一般导数的表示是这样子的
说如果有了n-1阶导数之后
我的n阶导数应该就是n-1阶的导的导数
这时候我们加一个上标括号里面n来表示
是求n阶导那么它的定义是f的n-1阶导再求导
这样我们就给出了一般的n阶导数的概念
请注意这个表示是微积分里面专用的
也就是说你要表示n阶导数的时候
上标部分一定是一个括号里面一个正整数
如果漏掉括号那表示的是n次方
关于n阶导数的表示除了这个记号之外
我们有时候还这样表示
说d^n就是fdx^n
注意分子分母中这个n的位置的不同
这个也是表示n阶导数
如果用这个记号表示的时候
它就表示的是对它的n-1阶导再求导
当然为了体现它是x的函数
你可以在这个地方标上x
我想这样我们就利用归纳的想法
就从导数出发定义二阶导数定义三阶导数
所谓高阶导数指的是二阶和二阶以上的导数
我们都称为高阶导数
我想这样我们就有了高阶导数的定义
接下来我们来看一下高阶导数的运算
也就是怎么样求高阶导数
实际上因为高阶导数就是利用导数定义的
所以高阶导数的运算法则自然就是导数的运算法则
然后在这个地方有个特殊情况我们要说一下
就是说如果两个函数相乘我们来求它的n阶导数
就是这个地方我们有一个结论
这个结论是这样子的
你可以写成k从0到n
Cnk这就是从n个数里面拿出k个来的组合数
然后这面是f的k阶导
再乘上g(x)的n-k阶导
然后k从0到n取值加起来
也就是说两个函数相乘的n阶导数
它一共由n+1项构成
每一项的系数是Cnk
然后这项的构成是f对x求k阶导
再乘上g(x)对x求n-k阶导
我想这个公式的右端这个形式
大家并不陌生
因为我们在中学学二项式定理的时候
我们曾经得到了这么一个公式
k从0到nCnka的k次方乘上b的n-k次方
也就是说我们只要把这个相应的方次变成相应的导数的阶数
这两个公式的右端是一样的
所以大家可以借助于二项式定理来记住
这个乘积函数n阶导数的计算公式
这个公式我们有一个专用的名字
这就是所谓的高阶导数运算里面的Leibniz公式
关于这个公式的证明感兴趣的同学可以在课下进行证明
它就用数学归纳法进行证明
主要用到了组合数的运算性质
在这我们就不再做证明了
但是在后面高阶导数运算时我们可以直接用这个结果
我想这是关于运算我们需要强调的一点
说如果两个函数做加法运算那求n阶导数等什么
我想你一想就能想出来
f(x)加上g(x)的n阶导数
自然应该是等于f(x)的n阶导数加上g(x)的n阶导数
这些我们都不再一一提到了
接下来在运算里面我们经常用的几个结论
也就是几个函数的n阶导数
这个是我们微积分里面常用的几个高阶导数公式
我们看是哪几个函数
第一个函数就是y等于a的x次方指数函数
大家想指数函数求导每求一次
在原有的基础上乘上一个因子
这因子就是a的自然对数
那么再求二阶导又出来一个
所以说你就知道我要是求n阶导自然出来n个因子
也就是lna括起来的n次方
这就是它的n阶导数的公式
接下来第二个例子
第二个例子就是说y等于1加x分之1
这是一个特殊的幂函数
也就是负一次方
那对这个函数来说我们求它的导数
一阶导应该等于负的1加x平方分之1
然后二阶导大家注意这是个简单的复合求导
也就等于-1乘上这负二次方负2
然后接下来变成了1+x的三次方在分母上
然后你如果觉得两个导数还看不出规律来
我们就再求一次
-1乘上-2 这是负三次方
所以再求导应该乘上-3
指数就是负四次方
所以放到分母上应该是四次方
我想求到三阶导数我们怎么样也能把它的变化规律看出来了
实际上我们可以归纳出它的n阶导数应该就等于
-1它的n次方
这面是1乘2乘3一直乘到n
底下是个1加x的n加1次方
归纳出来之后为了确保它是正确的
请大家用数学归纳法再证一下
在这个归纳假设承认的前提下
你来求它的n+1阶导数是什么
当然很容易就会验证这个结论是对的
接下来我们看第三个函数
也就是y等于ln(1加x)
那么它的一阶导
y'等于1加x分之1
那大家看一下我们第二个函数
第二个函数正好是这个函数的一阶导数
那么我们第三个函数的n阶导
实际就变成了我们第二个函数的n-1阶导
那么根据前面我们得到的这个关系
我们自然知道这个函数的n阶导数
应该等于-1的n-1次方乘上n-1的阶乘
再除上分母上是1+x的n次方
我想这是第三个函数
接下来我们看第四个函数
第四个函数是y等于sinx是正弦函数
正弦函数我们的一阶导数大家知道是cosx
当然你可以求它的二阶导数
应该是负的sinx
但是这样做的时候就是说
它实际前面一方面是正弦余弦互相交换
同时正负号要互相交替的
那当然你要是仔细分析
即使这样我们照样还是可以把它的一般表达形式写的出来
只是写的时候不是太漂亮而已
利用三角函数的关系大家知道
cosx利用所谓的诱导公式
它应该就是sin(x加上二分之π)
那么如果sin(x加上二分之π)我们再求导的时候
用一个简单复合函数求导
它的导数应该是等于cos(x加上二分之π)
那我们再对这个东西用一个诱导公式
也就是sin(x加上二分之π加上二分之π)
也就是加上二倍的二分之π
这就是二阶导数
那按照就是说我们这个求的思路
大家知道我们很容易就会归纳出来
它的n阶导数应该是sin(x加上n倍的二分之π)
这样来表示正弦函数的n阶导数的时候
那么导数的阶数与我们后面加的二分之π的倍数之间的关系
就一目了然了
我想这是这个
最后一个函数我们经常会用到
y等于cosx的n阶导数
与y等于sinx的n阶导数的推导一样
我们一阶导应该是负的sinx
负的sinx利用诱导公式
它就是cos(x加上二分之π)
那么二阶导也就是对这个东西关于x求导
应该是负的sin(x加上二分之π)
我们再用一次诱导公式
就是cos(x加上二分之π加上二分之π)
也就是加上两倍的二分之π
所以我们最后归纳出来它的n阶导数
应该就是cos(x+n倍的二分之π)
这是我们常用的五个函数的n阶导数
实际上不仅在这一章里面用
在整个微积分课程里面我们都会用到这五个简单函数的n阶导数
接下来我们介绍几个与高阶导数运算有关的例题
第一个例题也就是说如果我们知道
y等于x除上1加x平方
我们来求这个函数的高阶导数满足的递推关系
也就是要求它的n阶导数与n-1阶导数
或者与n-2阶导数等等之间的关系
那我们看这个问题怎么处理
实际我们在解这个问题时我们把这个分母乘过来
就变成1加x平方乘上y等于x
然后接下来我们求n阶导
只要n是大于等于2的时候
我们知道右端的导数应该就等0
而左端的导数我们给它理解成是两个因子的乘积
而其中一个因子是个二次多项式
那么根据Leibniz公式我们知道
左边求n阶导的时候最多出现三项
这三项分别是对y求n阶导 对这个因子不求导
还有一项是对y求n-1阶导 对这个因子求一阶导
再一项应该就是对y求n-2阶导
对这个因子要求二阶导
然后接下来其他的因子或其他的项里面
都有这个二次多项式因子的三阶和三阶以上的导数
它是等于0的
这样分析完之后我们两边求n阶导
这面也就得到了1+x平方乘上y的n阶导
再加上一个Cn1
然后1加上x平方它的一阶导乘上y的n-1阶导再加上Cn2
然后这面是1加上x平方的两阶导
再乘上y的n-2阶导
其他的因为都是0我们就不再写了
这面应该等0
我们简单整理一下
这就是1加上x平方乘上y的n阶导
这面是一个加上一个两倍的nx y的n-1阶导
而这面应该是再加上一个n乘上n-1倍的y的n-2阶导
这面是等0
这就是我们要求的这个函数的高阶导数满足的递推关系
通过递推关系我们会发现它的n阶导数不仅与n-1阶导数有关
而且与n-2阶导数也有关
如果从递推公式的角度来讲
这应该是一个两步的递推公式
换句话说你要求n阶导数
必须要同时知道它前面比它低一阶和二阶的两个导数
也就是说我们做这个问题的时候
假设我们的函数表示成的是0阶导数
也就是说0阶导数就是不求导
然后我们需要还要求它的一阶导
一阶导大家自己算一下应该是分子的导数乘上分母
再减掉分子不动乘上分母的导数再除上分母的平方
所以这样也就是等于1减x平方除上1加上x平方括起来平方
所以作为一个递推公式我们补上0阶导一阶导
再写上这个东西
这就是一个完整的递推关系
这样我们就可以从递推关系得到二阶导
进而得到三阶导等等高阶导就得到了
我想这是这个问题
我们用的是高阶导数的Leibniz公式
接下来我们来看第二个例题
第二个例题就是y等于
这个地方就是
1加x乘上2加上3x分之1
我们求它的n阶导数
对这个东西因为分母是一个二次多项式
但是它已经能分解成两个一次因子乘积
我们一般的做法是说我们给它写成1加x分之A
加上2加3倍x分之B这样做一个拆项运算
拆项完之后无论是第一项还是第二项
在做导数运算中我们很容易就会归纳出它的n阶导数是什么来
但问题是这个A和B怎么求出来
我们A和B的求法就是把这两项做通分运算
通分完之后与前面这个原来的表达式分母是一样的
那么分子也应该一样
分子就是多项式相等
那么对应项系数应该相等
就会得到AB满足的一次方程组
最后给它解出来就可以了
在这个具体例子里面具体求解过程我们不写了
我们得到A是等-1
B解出来应该是3
也就是给它拆项完之后就是这样
所以说我们的n阶导数就是这项的n阶导数加上这项的n阶导数
这项的n阶导数刚才我们已经做过
所以它应该是-1的n+1次方n的阶乘
再除上1加x的n加1次方
这个n+1次方因为原来就有个负号
所以说这是第一项就求完了
第二项求n阶导与刚才这项求的时候它不同的是说
每求一次导数应该出来一个因子3
所以它应该是一个-1的n次方乘上3的n+1次方
再乘上n的阶乘 再除上2加3倍x的n加1次方
希望大家就是知道这个求导与刚才这个求导的差别
所以说每一次出来一个3这个因子原来有一个3
所以说求了n阶导之后应该是3的n+1次方
这样我们对这个表达式就可以把它的n阶导数求出来了
这是我们在处理这类函数n阶导数时最常用的方法
就是把它拆成分母是一次因子的这样的分式的和
然后通过对它们求导之后
再得到原来函数的n阶导数
最后一个例题我们来看一下
y等于x的平方sinx求它的n阶导数
我想这个例子与刚才我们在这儿处理的这个例子有些类似
因为这个函数是两个因子乘积
而其中一个因子是二次多项式
所以我们可以用Leibniz公式直接去求
然后它在Leibniz公式里面最多有三项是不等于0的
所以它的n阶导数用Leibniz公式应该是
x平方不求导sinx求n阶导
就是sin(x加上n倍的二分之π)
然后再加上n倍的x平方的导数
也就是两倍的nx
再一个sinx求n-1阶导
也就是x加上n-1倍的二分之π
第三项也就是x平方求二阶导是2再乘上Cn2
就是写出来应该就是
n乘上n-1倍的sinx再加上n-2倍的二分之π
这样我们就利用Leibniz公式以及sinx的n阶导数公式
得到了这个函数的高阶导数
我想这是我们在高阶导数运算中常用的一些方法
当然最后一个问题是我们在做高阶导数运算时
我们有时候除了处理具体的表达式之外
还经常会处理这样的东西
说y等于f(g(x))求二阶导
或者说我们x等于y加上εsiny
ε大于0小于1
求y关于x的二阶导数
或者是说x等于x(t)y等于y(t)
然后我们求y关于x的二阶导数
那请大家注意复合函数 隐函数
参数方程确定的函数
求高阶导数时你应该注意的问题
譬如说在第一个复合函数求导里面
我们求二阶导数时会牵扯到对这个表达式再求导
在这个表达式求导过程中大家要注意这仍然还是个复合函数
所以应该还继续用复合函数的链导法则
当然在这个求导过程中
我们自然还会碰到这个记号
也就除了y之外还会碰到y'
那y当成中间变量
y'自然也是当成中间变量
所以说注意到这些之后再去处理就可以了
另外在这个的求导里面
因为我们知道dy/dx是等于y'(t)x'(t)的
那么我们再求导的时候
因为它是t的表达式所以说t应该是中间变量
也就是d方ydx平方应该等于y'(t)x'(t)关于t求导
再乘上t关于x的导数
也就是说最后这个因子大家一定不要忘掉
因为这是t的表达式
所以我是先关于t求导
求完之后再乘上t关于x的导数
-序言
--序言
-第一节 实数集的界与确界
--实数集的界
--实数集的确界
-第一节思考与练习
--思考题
--练习题
-第二节 函数的概念
--分段函数与隐函数
-第二节思考与练习
--思考题
--练习题
-第三节 函数的运算
--函数的反函数
-第三节思考与练习
--思考题
--练习题
-第四节 函数的初等性质
--函数的凸性
-第四节思考与练习
--思考题
--练习题
-第五节 初等函数
--初等函数
-第五节思考与练习
--思考题
--练习题
-第六节 极坐标方程与参数方程表示的几种曲线
-第一节 数列极限的概念与性质
--无穷大量
-第一节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第一节思考与练习
-第二节 数列极限存在的充分条件
--单调有界收敛定理
-第二节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第二节思考与练习
-第三节 Bolzano定理与Cauchy收敛准则
-第三节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第三节思考与练习
-第四节 函数极限的概念与性质
--函数极限的概念
--函数极限的性质
-第四节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第四节思考与练习
-第五节 函数极限的运算
-第五节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第五节思考与练习
-第六节 无穷小量及其(阶的)比较
--无穷小量的比较
-第六节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第六节思考与练习
-第一节 连续函数的概念与性质
--间断点的分类
--连续函数的性质
-第一节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第一节 思考与练习
-第二节 闭区间上连续函数的性质
-第二节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第二节 思考与练习
-第三节 函数的一致连续性
--一致连续的概念
-第三节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第三节 思考与练习
-第一节 导数与微分的概念
--导数的概念
--导数的几何意义
--微分概念
-第一节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第一节 思考与练习
-第二节 导数与微分的运算
--导数的四则运算
--反函数求导法
-第二节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第二节 思考与练习
-第三节 几种特殊函数的求导法、高阶导数
--高阶导数
-第三节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第三节 思考与练习
-第一节 微分中值定理
--Fermat定理
--Rolle定理
-第一节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第一节 思考与练习
-第二节 L'Hospital 法则
--0/0型不定式
--∞/∞型不定式
--其他形式的不定式
-第二节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第二节 思考与练习
-第三节 函数的单调性与极值
--函数的单调性
--函数的极值
--函数最值的求法
-第三节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第三节 思考与练习
-第四节 函数的凸性与拐点
--函数凸性的判别法
--拐点
--曲线的渐近性
-第四节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第四节 思考与练习
-第五节 Taylor 公式
-第五节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第五节 思考与练习
-第一节 概念与性质
--原函数的概念
--6-1视频纠正
-第一节思考与练习
--思考题
--第六章 原函数与不定积分--第一节思考与练习
-第二节 换元积分法
--第一换元法
--第二换元法
-第二节思考与练习
--思考题
--第六章 原函数与不定积分--第二节思考与练习
-第三节 分部积分法
--分步积分法
-第四节 有理函数的积分
--html
--第六章 原函数与不定积分--第四节思考与练习
-第五节 简单无理式的积分
--无理函数的有理化
--第六章 原函数与不定积分--第五节思考与练习
-第一节 积分概念与积分存在条件
--定积分的概念
-- 函数的可积性
--第七章 定积分--第一节思考与练习
-第二节 定积分的性质
--定积分的性质
--定积分性质的应用
-第三节 变上限积分与Newton—Leibniz公式
--变上限积分
--复合变限积分
--定积分的计算
--第七章 定积分--第三节思考与练习
-第四节 定积分的换元积分法与分部积分法
--第七章 定积分--第四节思考与练习
-第五节 定积分的几何应用
--平面区域的面积
--曲线的弧长
--平面曲线的曲率
--第七章 定积分--第五节思考与练习
-第六节 定积分的物理应用
--物理应用简介
-第七节 反常积分
--反常积分
--其他无穷积分
--第七章 定积分--第七节思考与练习
-第一节 数项级数的概念与性质
--第八章 级数--第一节 思考与练习
-第二节 正项级数的收敛判别法
--第八章 级数--第二节 思考与练习
-第三节 任意项级数
--交错项级数
--绝对值判敛法
--第八章 级数--第三节 思考与练习
-第四节 函数级数
--第八章 级数--第四节 思考与练习
-第五节 幂级数
--Abel判别法
--收敛半径与收敛域
--幂级数的分析性质
--幂级数求和
--第八章 级数--第五节思考与练习
-第六节 傅里叶级数
--三角函数的正交性
--第八章 级数--第六节思考与练习