5.1.2.6. Производные высших порядков Skip Navigation LinksВысшая математика > 5. Дифференциальное исчисление функций одной переменной > 5.1. Дифференциальное исчисление функций одной переменной > 5.1.2. Дифференциал. Производные и дифференциалы высших порядков > 5.1.2.6. Производные высших порядков

  Определение 1

Пусть функция  дифференцируема в точках  и . Если существует конечный предел , то он называется второй производной функции  в точке  и обозначается , или .

При этом функция  называется дважды дифференцируемой в точке .

Аналогично определяются производные более высокого порядка , , …., .

Замечание

Из определения производных высших порядков следует, что вторая производная - это производная от первой производной, третья производная - это производная от второй производной, и так далее.

  Пример 1

Вычислить третью производную  функции  в произвольной точке .

  Решение

Сначала вычислим первую производную, используя правило дифференцирования частного двух функций:

.

Упростим это выражение  и вычислим вторую производную.

.

Полученное выражение можно упростить.

и вычислить третью производную.

,

которая после всех возможных упрощений примет вид

.

  Пример 2

Получите выражение производной  - го порядка  для функции .

  Решение

Получим выражения для производных первого, второго, третьего и четвертого порядков, проводя последовательное дифференцирование заданной функции.

, , , .

Из выражений для этих производных ясно, что каждое последующее дифференцирование увеличивает на единицу показатель степени выражения  в знаменателе и добавляет в числитель натуральный сомножитель, на единицу больший предыдущего.

Знаки в производных чередуются, причем в производных четного порядка знак минус. Учитывая это, запишем выражение для производной произвольного ( - го) порядка:

.

Произведение всех натуральных чисел от  до  называется « - факториал» и обозначается: .

Учитывая это обозначение, выражение для - й производной функции  можно переписать в виде:

.

  Пример 3

Получите выражение производной  - го порядка  для функции .

  Решение

Вычислим последовательно , , , . Далее производные будут повторяться при .

Если использовать формулы приведения для вычисления значений функции  при , то легко убедиться, что они совпадают с производными первого, второго, третьего и четвертого порядков.

Следовательно, производную  - го порядка для функции  можно записать в виде

.

  Пример 4

Вычислить производную второго порядка от функции , заданной параметрическими уравнениями

.

  Решение

Вычислим первую производную  по правилу дифференцирования функции, заданной параметрически.

.

Чтобы вычислить вторую производную, учтем, что производная  также является параметрически заданной функцией. То есть первая производная  задана параметрическими уравнениями

.

Для вычисления второй производной можно использовать то же правило дифференцирования, что и для первой.

.

  Механический смысл первой и второй производной

Если  - путь, пройденный материальной точкой, движущейся прямолинейно, за время , то  - скорость точки в момент времени , а  - ее ускорение в момент времени .

  Доказательство

Средняя скорость между моментами времени  и  равна , где  - путь, пройденный между моментами времени  и  Скорость  в момент времени  определяется как предел средней скорости за промежуток времени  при . Тогда

.

Среднее ускорение между моментами времени  и  равно , где  - изменение скорости за время . Ускорение  в момент времени  определяется как предел среднего ускорения за промежуток времени  при . Тогда

.

  Следствие

Если  - смещение материальной точки за время  вдоль оси  под действием силы , то, используя второй закон Ньютона , можно записать уравнение ее движения

,

где  - масса точки, а  - равнодействующая всех сил, приложенных к ней.


 
Hosted by uCoz