当前课程知识点:微积分-1 > Chapter 4 Derivatives 导数 (second part) > Unit 5 Higher Order Derivatives and Mean Value Theorem (高阶导数与中值定理) > Higher Order Derivatives and Mean Value Theorem (高阶导数与中值定理)
同学们 你们好
欢迎来到mooc在线课程微积分
经过前面的学习
相信大家已经对求导数
非常熟悉了
对于一个函数而言呢
我们对它求一次导数
得到的结果就是导函数
那么我们再考虑一个问题
如果对求得的结果再求一次导数
得到的是什么呢
其实呢这就是二阶导数
类似的我们有三阶 四阶
乃至N阶导数
这些呢 都叫做高阶导数
那么这一单元
我们就要来学习高阶导数
另外 本单元还有一项重要的内容
这就是微分中值定理
它也叫平均值定理
是与导数有关的最重要的定理之一
实际上 后面我们要学习的
很多微积分的重要定理的证明
都要用这个定理 好的
下面我们就开始讲这两部分内容
首先 我们给出高阶导数的定义
Chapter 4 Derivatives 导数
Unit 5 Higher Order Derivatives
and Mean Value Theorem
高阶导数与中值定理
Section 1 Higher order derivatives
高阶导数
同学们
说到高阶导数啊
我们要从二阶谈起
明白了二阶
自然就明白了三阶乃至n阶了
Higher order derivatives
If y equals f of x
is differentiable
假设呢 我们现在有一个可微函数
y=f(x) its derivative is denoted
by f prime or dy over dx
这个函数的导函数呢
我们通常用f一撇
或者是dy除以dx
这种样子来表示
if f prime
is again differentiable
its derivative is denoted by
f double prime
or d dx of dy over dx
which can also be denoted by
d square y over d x square
这段话的意思是说
如果刚才这个函数f(x)的导函数
也就是f一撇
还是可微的话
那么我们又可以进行一次导数
它的结果呢
通常用这样的符号来表示
就是f两撇x
或者呢
如我们在屏幕中给同学们所列的
这个右边的这样子
这个 右边的样子呢是
d平方y除以d x平方
这个是一个特殊的符号
它就表示
对y连续求了两次导数的结果
这就是所谓的二阶导数
Similarly the n-th derivative of f of x
if it exists
is denoted by f to the n of x
or d to the n y over d x to the n
类似的
如果我们谈到n阶导数的话
我们可以用这样的符号
就是f n
这个n的位置呢在指数的位置
但是要加一个小括号
或者用d的n次方乘以y
除以dx的n次方
这种形式的符号
来表示连续对y求了n阶导数
where n is called
the order of the derivative
连续求了n次导数
这个结果呢就叫n阶导数
我们还是看几个例子吧
Example 1.1
f of x equals e
to the x square
f(x) 等于e的x平方次幂
这个函数要求导的时候呢
我们要使用链式法则
很容易求出它的导数
就是2x乘以e的x平方次幂
对于这个式子呢
再求一阶导数
我们就得到二阶导数
f double prime
这个结果呢 是我们整理以后的
同学们可以自己操作一遍
这个过程呢可以一直进行下去
乃至我们求到n阶导数
f的n阶导数啊
它有一个递推公式
我们这里呢也总结出来了
但是一般的通项公式呢
写起来非常复杂
所以我们这里就不写了
接下来我们再看一个例子
我们考虑呢比较简单的函数
就是sinex
它的高阶导数啊
呈现规律地出现 请看
f n-th derivative equals
我们这里列了一个表
当n 模 4 余 1的时候
它的结果永远是cosinex
当n模4 余 2 的时候
是负的sinex
当n模4 余 3 的时候
是负的 cosine x
当n能够被4整除的时候
它的结果一定是sine x
同学们自己不防试一下
Section 2 Mean Value Theorem
中值定理
接下来的这一小节呢
我们要介绍关于导数的
一个最重要的定理
就是中值定理
好的 我们第一个介绍的定理呢
是罗尔定理
Rolle’s Theorem
If f of x is in C closed interval [a,b]
这个符号
同学们还记得它的意思吗
它表示
f是闭区间[a,b]上的连续函数
and f(x) is in D open interval (a,b)
这个表示
f在开区间(a,b)中是可微的
and f at a equals f at b
f在端点a b处取值一样
then there exists a point xi
in the closed interval [a,b]
such that f prime at xi equals 0
这个结论是说
能找到开区间(a,b)中的某一个点xi
使得f在xi点的导数值为零
这个定理啊条件挺多的
结论呢看上去也挺奇怪
它到底什么意思呢
我们画一幅图就明白了
好的 请看这幅图
我们假设y equals f of x
的图像如图所示
我们假设呢
f是这个闭区间[a,b]上的连续函数
在端点处取值是一样的
所以a点和b点呢连起来的线
平行于x轴
另外我们还假设了
f在开区间(a,b)之中是可微的
这时候的结论是说
我们能找到某一个xi
使得f一撇xi等于零
意思就是说在xi点的切线呢
是水平切线
请看这幅图中呢
我们实际上找到了两个这样可能的xi
因此啊 整个定理的意思就是说
如果一个函数它是连续函数
它在两个点取值一样
中间又可微
则一定在某个点的切线是水平的
接下来我们介绍的第二个定理
就是中值定理
The Mean Value Theorem
Mean Value Theorem呢
它通常简写成MVT
好的 请看这个定理是怎么陈述的
If f(x) is continuous
on closed interval [a,b]
and differentiable
on the open interval (a,b)
then there exists a point xi
which belongs to the open interval (a,b)
such that f(b) minus f(a) over b
minus a equals f prime at xi
这就是平均值定理
也就是 Mean Value Theorem
它的含义呢我解释一下
这个地方的xi呢
是这个定理给出的某一个点
它的特点是在这个点的导数
恰好和这个函数的平均变化率
是一样的
平均变化率
就是这个公式中的左边部分
就是f(b)减f(a)除以b减a
平均变化率呢可以理解为
平均速度 平均增长率 等等
我们可以画一个图来解释一下
Mean Value Theorem
这幅图中呢
我们也是画了一个函数
这个函数是在闭区间上连续
开区间内可微
那么 结论是说
一定能找到某一个点
它的切线的斜率
和整个这个曲线从起始到终点
所画的那条割线的斜率是一样的
刚才的平均值定理
Mean Value Theorem
它有很多变种 我们来看一看
Mean Value Theorem can also
be written in an alternative form
If x and x naught are in open interval (a,b)
Then f(x) equals f (x naught) plus
f prime xi times x minus x naught
for some xi in between x naught and x
这种写法也是平均值定理
只不过它就是把刚才的分式呢
化成等式的样子
还有一个中值定理
它的名字叫做柯西中值定理
Cauchy’s generalized mean value theorem
柯西中值定理啊
把刚才的平均值定理推广了
我们看一下它的陈述
if f(x) and g(x)
they are continuous
on the closed interval [a,b]
and they are both differentiable
on the open interval (a,b)
then there exists a point xi
in the open interval (a,b)
such that g prime xi times f(b) minus f(a)
equals f prime xi g(b) minus g(a)
同学们思考一下
柯西中值定理
在什么特殊的情况下
它就能够还原成
刚才我们说的平均值定理
也就是Mean Value Theorem
同学们
刚才我们讲了这几个定理
这几个定理啊
看起来呢有点儿抽象
但是呢仔细品味一下
又好像说的是常识
其实啊后面的很多证明啊
是需要这几个定理的
我们呢下面看一个简单的例子
来应用一下中值定理
好的请看这个例子
Example 2.4
Prove the inequality
Aabsolute value of
arc tangent a minus arc tangent b
less than or equal to
a minus b with absolute value
for all a b in R
要证明这样一个不等式
我们呢怎么应用平均值定理呢
同学们不妨先思考一下
好的 我们看一下答案 proof
it suffices to consider the case
that a is less than b
我们呢不妨假设a小于b
如果a大于b的话
证明是完全相仿的
By the Mean Value Theorem
也就是我们前面讲过的平均值定理
我们得到什么呢
there exists some point zeta
in (a,b)
such that
the absolute value of
arc tangent a minus arc tangent b
equals
the absolute value of f prime at zeta
times the absolute value of a minus b
当然这个公式啊
实际上就是我们刚才讲过的
Mean V alue T heorem heorem的
一个直接结果
好的 通过这个等式
我们能观察出什么呢
请看
it also equals to
one over one plus zeta square
times the absolute value a minus b
这是为什么呢
原来啊
我们这里把f取成了反正切函数
也就是f equals arc tangent x
所以呢
f 的导数就是
1除以1加上x平方
因此呢 这里出现了这样一个因子
好了 注意这个因子呢
分母是1加上zeta的平方
它会永远地比1大或者等于1
于是我们就可以得到
the above and plus that
arc tangent a minus arc tangent b
with absolute value
is less than or equal to
a minus b with absolute value
这样就证明了整个不等式
同学们
刚才这个例子告诉了我们
怎么使用MVT
也就是平均值定理
它也叫中值定理
那么中值定理
其中呢有很多的先决条件
如果其中某一个先决条件不成立
结论还对吗
这是一个很重要的问题
同学们一定要认真思考一下
看看如果破坏了先决条件的话
结论是不是还成立
同学们 这一讲中呢
我们介绍了高阶导数
还有几个不同形式的
微分中值定理
其中的这个中值定理啊
是微积分中非常重要的一个定理
在今后很多理论证明中呢
我们都要用到
好的 这节课就讲这么多
下堂课 我们将学习如何使用导数
来求某种特殊的极限
这就是洛必达法则
请同学们提前预习一下
好的 同学们我们下堂课再见
-Unit 1 Review of Real Numbers (回顾实数)
--Review of Real Numbers (回顾实数)
--Exercise1-1
-Unit 2 Exponentiations, Logarithms and Sets (指数、对数与集合)
--Exponentiations, Logarithms and Sets (指数、对数与集合)
--Exercise 1-2
-Unit 3 Limit Points, Open and Closed Sets (聚点、开集与闭集)
--Limit Points, Open and Closed Sets (聚点、开集与闭集)
--Exercise-1-3
-Unit 4 Bounds and Completeness (有界性与完备性)
--Bounds and Completeness (有界性与完备性)
--Exercises-1-4
-Unit 5 Complex Number System, Algebraic and Transcendental Numbers (复数、代数数与超越数)
--Complex Number System, Algebraic and Transcendental Numbers (复数、代数数与超越数)
--Exercise-1-5
-章节测验1
--章节测试1
-Unit 1 Limit of a Sequence (数列的极限)
--Exercises-2-1
-Unit 2 Theorems on Limits of Sequences (数列极限定理)
--Theorems on Limits of Sequences (数列极限定理)
--Exercises-2-2
-Unit 3 Infinity and Bounded Monotone Sequences (无穷大和单调有界数列)
--Infinity and Bounded Monotone Sequences (无穷大和单调有界数列)
--Exercises-2-3
-Unit 4 Limit Superior and Limit Inferior (上极限和下极限)
--Limit Superior and Limit Inferior (上极限和下极限)
--Exercises-2-4
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--Nested Intervals Theorem and Cauchy’s Convergence Criterion (区间套定理和柯西收敛准则)
--Exercises-2-5
-章节测验2
--章节测试2
-Unit 1 Functions and Graphs (函数与图像)
--Functions and Graphs (函数与图像)
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-Unit 2 Algebraic Function,Transcendental Functions and Inverse Trigonometric Functions (代数函数,超越函数与反三
-- Algebraic Function,Transcendental Functions and Inverse Trigonometric Functions(代数函数,超越函数与反三角函数)
--Exercises-3-2
-Unit 3 Hyperbolic Functions and Inverse Hyperbolic Functions (双曲函数与反双曲函数)
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-Unit 7 Theorems on Limits and Special Limits (极限相关定理与特殊极限)
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-Unit 9 Theorems on Continuity (关于连续性的定理)
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-Unit 11 Infinitesimals and Bounded Quantities (无穷小量与有界量)
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-章节测验3
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-Unit 5 Higher Order Derivatives and Mean Value Theorem (高阶导数与中值定理)
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-Unit 7 The First and Second Derivative Tests (导数判别法)
--The First and Second Derivative Tests (导数判别法)
-Unit 8 The Taylor Formula (泰勒公式)
--Exercise-4-8
-章节测验 4
--章节测试4
-Unit 1 Definite Integrals and Numerical Methods (定积分与数值方法)
-- Definite Integrals and Numerical Methods (定积分与数值方法)
- Exercise 5-1
-Unit 2 Properties of the Definite Integrals and the Fundamental Theorem of Calculus (定积分的性质与微积分基本定理)
--Properties of the Definite Integrals and the Fundamental Theorem of Calculus (定积分的性质与微积分基本定理)
--Exercise-5-2
-Unit 3 Integrals of Elementary Functions and Integration by Substitution (初等函数的积分,换元法)
--Integrals of Elementary Functions and Integration by Substitution (初等函数的积分,换元法)
--Exercise-5-3
-Unit 4 Integration by Parts and Special Techniques(分部积分法与特殊技巧)
--Integration by Parts and Special Techniques(分部积分法与特殊技巧)
--Exercise-5-4
-Unit 5 Integrations of Rational Fractions and Trigonometrical Rational Functions(有理分式函数与三角有理函数的积分)
-- Integrations of Rational Fractions and Trigonometrical Rational Functions(有理分式函数与三角有理函数的积分)
--Exercise-5-5
-Unit 6 Arc Length(弧长)
--Exercise-5-6
-Unit 7 Areas and Volumes(面积与体积)
--Exercise-5-7
-章节测验5
--章节测试5
-课程讲义
