




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文檔簡介
設(shè)y
f
(x)在(a,b)內(nèi)可導(dǎo),則它的導(dǎo)函數(shù)y
f
(x)和微分函數(shù)dy
df
(x)
f
(x)dx仍然是(a,
b)上的函數(shù),因此可以繼續(xù) 它們的可導(dǎo)性與可微性,
這就產(chǎn)生了高階與高階微分.一、高階導(dǎo)數(shù)00dx2
dx2d
2
y
d
2
f,
或
表示f
(x)在x
的二階導(dǎo)數(shù).
用f
(x
)或y
,
或x
x0
x
x0x
x00點x0
處二階可導(dǎo),且稱y
f
(x)在點x0
處的導(dǎo)數(shù)為函數(shù)f
(x)在點x0
的二階導(dǎo)數(shù).x定義3.4:如果y
f
(x)在x
點處可導(dǎo),即:limf
(x
0
0
x)
f
(x
)存在,則稱y
f
(x)在x0xlimx00f
(x
x)
f
(x0
)0即:
f
(x
)
3.5、高階導(dǎo)數(shù)與高階微分2018/11/5Edited
by
Lin
Guojian1y(n)
f
(n)
(x)
lim
f
(n1)
(x
x)
f
(n1)
(x)xx0(n)x0
f
(x0
)
limf
(n1)
(x0
x)
f
(n1)
(x
)0x(n)由定義3.4知:y0x
x通常稱二階及二階以上的導(dǎo)數(shù)為高階導(dǎo)數(shù).(n1)
(x)]
df
(n1)
(x)
,
n
1,2,3,,2018/11/5Edited
by
Lin
Guojian2(
n
)即
:
f
(x)
[
fdx類似地可以定義三階導(dǎo)數(shù)f
(x0
),四階導(dǎo)數(shù)f
(4)(x
)及n階導(dǎo)數(shù)f
(n)(x
).0
0x
x0
lim
0
.f
(n1)
(x)
f
(n1)
(x
)x
x0例:
設(shè)y
f
(x)
xex
,
求y.解:
y
(xex
)
ex
xex
2ex
xex
.
xexy
(ex
xex
)
ex
ex例:設(shè)y
arctan
x,求y
,y.1
x2解:y
1
(1
x2)221
x
y
1
2x
..2018/11/5Edited
by
Lin
Guojian3(1
x
)2
32(3x2
1)2
2(1
x
)y
2x2018/11/5Edited
by
Lin
Guojian4例:求y
xk
(k為正整數(shù))的n階導(dǎo)數(shù)y(n).解:y
(xk
)
kxk
1y
(kxk
1
)
k
(k
1)xk
2y
[k
(k
1)xk
2
]
k
(k
1)(k
2)xk
3y(k
1)
k(k
1)(k
2)3
2
xy(k
)
k(k
1)(k
2)3
2
1
k!y(k
1)
0,
y(k
2)
0,,
y(k
i
)
0(i
1).0k(n)故y(n)
k
(k
1)(k
n
1)xk
n
,
n
kn
k
x
2018/11/5Edited
by
Lin
Guojian5例:設(shè)y
2x4
4x3
7x2
8x
1,求y(4).解:y(4)
(2x4
4x3
7x2
8x
1)(4)
2
4!
48.例:求n次多項式x
an
,(a0
0)的n階導(dǎo)數(shù).n1y
a xn
a
xn1
a0
1解:y(n)
a
n!0例:設(shè)y
ex
,求y(n)與y(n)(0).解:
y
(ex
)
ex
,
y
(ex
)
ex,,
y(n)
ex
.2018/11/5Edited
by
Lin
Guojian6y(n)
(0)
y(n)
ex
e0
1.x0
x02018/11/5Edited
by
Lin
Guojian7例:設(shè)y
sin
x,求y(n).解:y
(sin
x)
cos
x
sin(x
),22y
(cos
x)
sin
x
sin(x
)
sin(x
2
).設(shè)y(k
)
(sin
x)(k
)
sin(x
k
).2則y(k
1)
(sin
x)(k
1)
[sin(x
k
)]
cos(x
k
)2
2
sin(x
k
)
sin[x
(k
1)
].2
2
2由數(shù)學(xué)歸納法知:(sin
x)(n)
sin[x
n
],(n
1,2,3,).22018/11/5Edited
by
Lin
Guojian82
y
(sin
x)
cos
x
cos(x
)
cos(x
2
)2例:設(shè)y
cos
x,求y(n).解:y
(cos
x)
sin
x
cos(x
)設(shè)y(k
)
(cos
x)(k
)
cos(x
k
)2則y(k
1)
(cos
x)(k
1)
[cos(x
k
)]
sin(x
k
)2
2
cos(x
k
)
cos[x
(k
1)
].2
2
2由數(shù)學(xué)歸納法知:(cos
x)(n)
cos[x
n
],(n
1,2,3,).22018/11/5Edited
by
Lin
Guojian9解:y
[x1
]
x2
.y
[(x2
]
(1)(2)
x3.y
[(1)(2)
x3
]
(1)(2)(3)
x4
.設(shè)y(k
)
(1)(2)(k
)
xk
1
(1)k
k!x(k
1).則y(k
1)[(1)k
k!x(k
1)]
(1)k
k![(k1)]
x(k
2)
(1)k
1
(k
1)!x(k
2).由數(shù)學(xué)歸納法知:y(n)
(x1
)(n)
(1)n
n!x(n1)
,
(n
1,2,).例:設(shè)y
x1
,求y(n).例:設(shè)y
ln(1
x),求y(n).y
[ln(1
x)]
[(1
x)1
]
(1)(1
x)2y
[ln(1
x)]
[(1)(1
x)2
]
(1)(2)(1
x)3設(shè)y(k
)
[ln(1
x)](k
)
(1)(2)(k
1)(1
x)k
(1)k
1
(k
1)!(1
x)k則y(k
1)
[ln(1
x)](k
1)
[(1)k
1(k
1)!(1
x)k
]
(1)k
1(k
1)!(k)(1
x)k
1
(1)k
(k)!(1
x)(k
1).由數(shù)學(xué)歸納法知:y(n)(1)n1
(n
1)!(1
x)n
,(n
1,2,3,).
(1
x)12018/11/5Edited
by
Lin
Guojian1011
x解:y
[ln(1
x)]
例:設(shè)y
ln(x2
3x
4),求y(n
).1
12018/11/5Edited
by
Lin
Guojian11
.x
1
x
4解:y
ln(x
1)
ln(x
4)
y
y(n)
(1)(2)[(n
1)](
x
1)n
(1)(2)[(n
1)](
x
4)n
(1)n1
(n
1)!(x
1)n
(1)n1
(n
1)!(x
4)n
.2
2
1
1
1
1
y
x
1
x
4
x
1
x
4
(1)(x
1)
(1)(x
4)
.y
(1)(2)(
x
1)3
(1)(2)(
x
4)3.求函數(shù)的高階導(dǎo)數(shù)常用以下兩個公式:0n注
:
(a)
:
規(guī)定
:
0!
1,C
1.(1)
:
[
f(x)
g(x)](
n
)
f
(n)(x)
g(n)(x);(2)
:
(公式)
:
[
f(x)
g(x)](
n)
(n
k
)(x),n
k
(k
)nk
0C
f
(x)gf(x).,
f
(0)(x)
n!k!(n
k)!n其中,Ck
(b)
:
如果f(x)
xk
,則當(dāng)n
k時,
f
(n)(x)
0,此時應(yīng)用
公式計算[
f(x)
g(x)](n)時可能有很多項為零.2018/11/5Edited
by
Lin
Guojian122018/11/5Edited
by
Lin
Guojian13例
:
設(shè)y
x3e
x
,求y(30).解:[x3e
x
](30)3030k
f
(k
)(x)g(30
k
)(x)Ck
0
C
0
f
(0)(x)g(30)(x)
C1
f
(x)g(29)(x)
C
2
f
(x)g(28)(x)
C3
f
(x)g(27)(x)30
30
30
3030
30
C
4f
(4)(x)g(26)(x)
C30
f
(30)(x)g(0)(x).由于
:
(x3
)(k
)
0,
k
3,且(e
x
)(
n
)
(1)n
e
x
.因此:[x3e
x
](30)
C
0
f
(0)(x)g(30)(x)
C1
f
(x)g(29)(x)30
30
C
2
f
(x)g(28)(x)
C
3
f
(x)g(27)(x)30
30
C1
3x
2(1)e
x
C
2
6xe
x
C3
6(1)e
x30
30
30
C
0
x3e
x30
90x2e
x
2610xe
x
24360e
x
.
x3e
x例
:
求y
arctan
x在x
0點的n階導(dǎo)數(shù)..(1
x2
)3
2
6x2,
y
1
2x,
y
解
:
y
1
x2
(1
x2
)2在(1
x2
)y
1方程兩邊對x求n
1階導(dǎo)數(shù),即(1
x2
)y(n1)2018/11/5Edited
by
Lin
Guojian14
1(n1).
(1
x2
)y
1.1
x21由y
n
1k
0(n
1
k
)2
(k
)2x
)
(
y)那么:(1(n1)
x
)y
kn
1C
(1
(1
x2
)y(n)
(n
1)2xy(n
1)
(n
1)(n
2)y(n2)
0.2
(1)10 2
(0)(n
3)n
1(n
2)2 2
(2)n
1
C
(1
x
) (
y
)
C(1
x
)
(
y
)(n
1)n
1
C
(1
x
)
(
y
)2018/11/5Edited
by
Lin
Guojian15令x
0可得
:y(n)(0)
(n
1)(n
2)y(n2)(0)
0
y(n)(0)
(n
1)(n
2)y(n2)(0).由于y(0)
1,y(0)
0,
因此,當(dāng)n為偶數(shù),即n
2k,k
1,2,.則y(4)(0)
(4
1()
4
2)y(2)(0)
0,y(6)(0)
(6
1()
6
2)y(4)(0)
0,
,
y(2k
)(0)
(2k
1()
2k
2)y(2k
2)(0)
0.當(dāng)n為奇數(shù),即n
2k
1,k
1,2,.y(2k
1)(0)
(2k
2()
2k
3)y(2k
3)(0)
(2k
2()
2k
3)(2k
4()
2k
5)y(2k
5)(0)
(2k
2()
2k
3)(2k
4()
2k
5)(2k
6)(2k
7)y(2k
7)(0)
(1)k
1(2k
2()
2k
3)(2k
4()
2k
5)(2k
6)(2k
7)
2
1y(0)
(1)k
1(2k
2)!.2018/11/5Edited
by
Lin
Guojian16二、高階微分定義3.5
:
若y
f
(x)的微分函數(shù)dy
df
(x)
f
(x)dx關(guān)于x可微,則稱y
f
(x)關(guān)于x二階可微,且稱dy
f
(x)dx關(guān)于x的微分為y
f
(x)的二階微分.用d
2
y(或d
2
f
(x))表示y
f
(x)的二階微分.類似地可以定義n階微分d
n
y(或d
n
f
(x)).如果記(dx)n
dxn
.由定義3.5知:d
2
y
d
(dy)
d[
f(x)dx]
dx
d[
f
(x)]
dx
f
(x)dx
f
(x)[dx]2
f
(x)dx2
.設(shè)
:
d
k
y
f
(
k
)
(x)dxk
,則:
d
k
1
y
d
(d
(
k
)
y)
d[
f
(
k
)
(
x)
dxk
]
dxk
f
(k
1)
(x)dxk
1
d[
f
(
k
)
(x)]由數(shù)學(xué)歸納法知:d
n
y
f
(
n
)
(x)dxn
.從而高階導(dǎo)數(shù)可用高階微分定義:通常稱二階及二階以上的微分為高階微分.f
(x)
2018/11/5Edited
by
Lin
Guojian17(n),
f
(x)
.dx2d
2
ydxndn
y2018/11/5Edited
by
Lin
Guojian18例:
設(shè)y
f
(x)
x
sin
x,
求d
2y.解:dy
(x
sin
x)dx
(sin
x
x
cos
x)dx.d
2
y
d[(sin
x
x
cos
x)dx]
dx
d
(sin
x
x
cos
x)
dx
(cos
x
cos
x
x
sin
x)dx
(cos
x
cos
x
x
sin
x)(dx)2
(cos
x
cos
x
x
sin
x)dx2
.例:設(shè)y
x2
,求d
2
y,d
3
y.解:
dy
2xdx
d
2
y
2dx2
.d
3
y
0.2018/11/5Edited
by
Lin
Guojian19注:高階微分沒有形式不變性.事實上:由dy
df
(x)
f
(x)dx.當(dāng)x是自變量時,上式兩邊關(guān)于x求微分,這時dx相對于x是常數(shù).故d
2
y
d
(dy)
d[f
(x)dx]
dx
d[f
(x)]
dx
f
(x)dx
f
(x)dx2
.當(dāng)x不是自變量時,這時x依賴于另一個變量t,即x
x(t).則d
2
y
d
(dy)
d[f
(x)dx]
d[f
(x)]dx
f
(x)d
(dx)
f
(x)
dx
dx
f
(x)d
(dx)
f
(x)dx2
f
(x)d
(dx).這時d
(dx)未必為零.
因為x與dx都是自變量t的函數(shù),且d
(dx)
d
2
x是x關(guān)于自變量t的二階微分.2018/11/5Edited
by
Lin
Guojian20例:設(shè)y
x2
,x
t
2
,求d
2
y.解:由于y
t4
,故dy
4t3dt.故d2
y
d(dy)
d(4t3dt)12t2dt
dt
12t2dt2.另解:由于d
2
y
f
(x)dx2
f
(x)d
2
x
2dx2
2xd2
x而d2x
d(dx)
d(2tdt)
2dtdt
2(dt)2
2dt2,故2xd2
x
2t2
2dt2
4t2dt2.從而d2
y
2dx2
2xd2
x
8t2dt2
4t2dt2
12t2dt2.注:因為x不是自變量,故不能用d
2y
f
(x)dx2求解d
2
y.實際上:d2
y
f
(x)dx2
2dx2
2(dx)2
2[2tdt]2
8t2
(dt)2
8t2dt2
12t2dt2.例:
設(shè)y
y(x)是由方程ey
xy所確定的隱函數(shù),
求y.解:對方程ey
xy兩邊關(guān)于x求導(dǎo),.ey
xy有ey
y
y
xy
y
1)(ey
x)
y(ey
yyyyy(ey
x)2y(ey
x)2
x)
y(e
y
1)
e
x
e
x
有y
y
(e兩邊關(guān)于x求導(dǎo),再對y
yey
x.2018/11/5Edited
by
Lin
Guojian21
2y(ey
x)
y2ey
2xy
2
2xy
xy3(ey
x)3
(xy
x)3.例
:
求由方程x
y
sin
y
0所確定的隱函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)dx2d
2
y.11
cos
y1
y
y
cos
y
0,
y
解
:
在x
y
sin
y
0的兩邊對x求導(dǎo)數(shù),則(1
cos
y)2y
sin
y的兩邊對x求導(dǎo)數(shù),則1
cos
y1在y
y
.2018/11/5E
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