‹-- Назад

Производные высших порядков

Если функция $ f(x)$ дифференцируема при всех $ x\in(a;b)$, то мы можем рассмотреть функцию $ f':(a;b)\to\mathbb{R}$, сопоставляющую каждой точке $ x$ значение производной $ f'(x)$. Эта функция $ f'$ называется производной функции $ f$, или первой производной от $ f$. (Иногда саму исходную функцию $ f$ называют нулевой производной и обозначают тогда $ f^{(0)}$.) Функция $ g_1(x)=f'(x)$, в свою очередь, может иметь производную во всех (или некоторых) точках $ x$ интервала $ (a;b)$, которую мы обозначим $ g_1'(x)=f''(x)$ и назовём второй производной функции $ f(x)$. Если предположить, что вторая производная $ g_2(x)=f''(x)$ существует во всех точках $ x\in(a;b)$, то она может также иметь производную $ g_2'(x)=f'''(x)$, называемую третьей производной функции $ f(x)$, и т. д. Вообще, $ n$-й производной функции $ f(x)$ называется производная от предыдущей, $ (n-1)$-й производной $ g_{n-1}(x)=f^{(n-1)}(x)$:

$\displaystyle f^{(n)}(x)=g'_{n-1}(x)=(f^{(n-1)}(x))',$

если эта производная существует. $ n$-я производная называется также производной $ n$-го порядка, а её номер $ n$ называется порядком производной.

При $ n=1;2;3$ первую, вторую и третью производные принято обозначать штрихами: $ f'(x),f''(x),f'''(x)$ или $ y',y'',y'''$; при прочих $ n$ -- числом в скобках в верхнем индексе: $ f^{(4)}(x),f^{(5)}(x),\dots$ или $ y^{(4)},y^{(5)},\dots$.

Физический смысл производной второго порядка проясняется из того, что если первая производная $ f'(x)$ задаёт мгновенную скорость изменения значений $ f(x)$ в момент времени $ x$, то вторая производная, то есть производная от $ f'(x)$, задаёт мгновенную скорость изменения значений мгновенной скорости, то есть ускорение значений $ f(x)$. Следовательно, третья производная -- это скорость изменения ускорения (или, что то же самое, ускорение изменения скорости, поскольку, как очевидно следует из определения, $ (f''(x))'=(f'(x))''$).

Геометрический смысл второй производной связан с понятиями выпуклости и кривизны графика функции, и мы обсудим его ниже.

        Пример 4.19   Найдём вторую производную функции $ f(x)=\sin^3x$. Первая производная равна

$\displaystyle f'(x)=(\sin^3x)'=3\sin^2x\cos x;$

далее находим

$\displaystyle f''(x)=3(\sin^2x\cos x)'=3(2\sin x\cos^2x-\sin^3x)=3\sin x(2\cos^2x-\sin^2x).$

    

        Пример 4.20   Пусть $ y=f(x)=e^{kx}$. Тогда

$\displaystyle y'=e^{kx}\cdot k=ke^{kx};
y''=k(e^{kx})'=ke^{kx}\cdot k=k^2e^{kx}; \dots; y^{(n)}=k^ne^{kx}; \dots.$

При $ k=1$ все производные оказываются равными исходной функции: $ (e^x)^{(n)}=e^x.$     

        Пример 4.21   Рассмотрим функцию $ y=f(x)=\sin x$. Тогда

$\displaystyle y'=\cos x,\; y''=-\sin x,\;y'''=-\cos x,\;y^{(4)}=\sin x.$

Поскольку четвёртая производная $ y^{(4)}$ совпала с исходной функцией $ y$, то далее значения производных начнут повторяться с шагом 4: при $ k=0;1;2;\dots$ получаем

$\displaystyle y^{(4k)}(x)=\sin x;
y^{(4k+1)}(x)=\cos x;
y^{(4k+2)}(x)=-\sin x;
y^{(4k+3)}(x)=-\cos x.$

Заметим также, что

$\displaystyle y'=\cos x=\sin(x+\frac{\pi}{2}),$    
$\displaystyle {}\quad\quad y''=-\sin x=\sin(x+2\frac{\pi}{2}),$    
$\displaystyle {}\quad\quad\quad y'''=-\cos x=\sin(x+3\frac{\pi}{2}),$    
$\displaystyle {}\quad\quad\quad\quad y^{(4)}=\sin x=\sin(x+4\frac{\pi}{2}).$    

Легко видеть, что имеет место общая формула:

$\displaystyle y^{(n)}=(\sin x)^{(n)}=\sin(x+n\frac{\pi}{2}).$

    

        Упражнение 4.4   Рассмотрите функцию $ y=\cos x$ и получите для её производных аналогичные формулы.     

        Упражнение 4.5   Найдите производные произвольного порядка $ n$ от гиперболических функций $ \mathop{\rm sh}\nolimits x$ и $ \mathop{\rm ch}\nolimits x$.     

        Упражнение 4.6   Найдите производные произвольного порядка $ n$ от функции $ y=\ln x$. Придумайте формулу, позволяющую кратко записать выражение для $ y^{(n)}$; эта формула будет содержать знак факториала ( $ n!=1\cdot2\cdot\ldots\cdot n$).     

        Упражнение 4.7   Докажите, что вторая производная чётной функции является чётной функцией, а вторая производная нечётной функции -- нечётной функцией.