Производные и дифференциалы высших порядков

Предположим, что функция f'(x) является дифференцируемой в некоторой точке x интервала (a,b), то есть имеет в этой точке производную. Тогда данную производную называют второй произвоьдной и обозначают f⁽²⁾(x), f''(x) или y⁽²⁾, y''(x). Аналогично можно ввести понятие второй , третьей и т. д. производных. По индукции можно ввести понятие n- ой производной:

Функцию, имеющую на некотором множестве конечную производную порядка n,называют n раз дифференцируемой на этом множестве. Методика нахождения производных высших порядков предполагает умение находить производные первого порядка, о чем говорит формула (6).

Если u(x), v(x) две дифференцируемые функции, то для нахождения производной их произведения справедлива формула Лейбница

(u(x)v(x))⁽ⁿ⁾ = u(n)v+nu(n-1)v'+(n(n-1)/2)u(n-2)v''+...+ uv(n) =

= S_{k =} 0ⁿC_n^ku(n-k)v(k),

где

C_n^k = (n(n-1)(n-2)...(n-k+1))/k!, u(0) = u, v(0) = v.

Данная формула Лейбница особенно эффективна в случае, когда одна из перемножаемых функций имеет конечное число отличных от нуля производных и легко вычислить производные другой функции.

Пример 9. Пусть y = e^x(x²-1). Найти y⁽¹⁰⁾. Положим u(x) = e^x, v(x) = (x²-1). Согласно формуле Лейбница

y(10) = (e^x)⁽²⁵⁾(x2-1)+10(e^x)⁽⁹⁾(x2-1)'+(10· 9/2) (e^x)⁽⁸⁾(x2-1)'',

так как следующие слагаемые равны нулю. Поэтому

y(10) = e^x(x2-1)+10e^x2x+(10· 9/2)e^x (2) = e^x(x2+20x+89)

Рассмотрим выражение для первого дифференциала

dy = f'(x)dx.

Пусть функция, стоящая в правой части, является дифференцируемой функцией в данной точке x. Для этого достаточно, чтобы y = f(x), была дифференцируема два раза в данной точке x, а аргумент либо является независимой переменной, либо представляет собой дважды дифференцируемую функцию.

Определение 6 (дифференциал второго порядка).Значение d(dy) дифференциала от первого дифференциала (4) при d x = dx, называется вторым дифференциалом функции y = f(x) и обозначается d²y.

Таким образом,

d2y = d (dy)|d x = dx.

Дифференциал dⁿy можно ввести по индукции.

Определение 7.Значение d(d^n-1y) дифференциала от(n-1)-го дифференциала при d x = dx, называется n-м дифференциалом функции y = f(x) и обозначается dⁿy.

Найдем выражение для d²y при этом рассмотрим два случая, когда x -независимая переменная и когда x = f (t), то есть является функцией переменнойt.

1. пусть x = f (t), тогда

d2 = d (dy)|d x = dx = d (f'(x)dx)|d x = dx =

= {d (f'(x))dx+f'(x)d(dx)}|d x = dx = f''(x)(dx)²+f'(x)d2x.

Итак,

2. пусть x - независимая переменная, тогда

d2y = f''(x)(dx)²,

так как в этом случае d(dx) = (dx)'d x = 0.

Аналогично, по индукции легко получить следующую формулу, если x - независимая переменная:

dⁿy = f(n)(x)(dx)ⁿ.

Из этой формулы следует, что f⁽ⁿ⁾ = dⁿy/(dx)ⁿ.

В заключение отметим, что дифференциалы второго и более высоких порядков не обладают свойством инвариантности, что сразу видно из формулы для дифференциала второго порядка (7).

Производные высших порядков.