同济大学高等数学高阶导数共21页文档

解： dy (ex) dxdx
x0
x0
dy (ex) dxedx
x1
x1
14
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4.微分的几何意义
切线纵坐标的增量
dyf(x0) xtanx
当 x 很小时, ydy
y
dy
y f(x)
y
O
x0
x
x0 x
15
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二、 微分运算法则
2
t
dt
9
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二、微分的概念
引例: 一块正方形金属薄片受温度变化的影响, 其
边长由 x 0 变到 x0 x ,问此薄片面积改变了多少?
设薄片边长为 x , 面积为 A , 则 A x 2 , 当 x 在 x 0 取
得增量 x 时, 面积的增量为
A (x0 x)2x0 2
则由它确定的函数 yf(x)可求二阶导数 .
x(t)
利用新的参数方程 dy (t) ,可得 dx (t)
d2 y d x2
d dx
(d d
y x
)
d dt
(
dy dx
)
dd tx ddxt
8
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注意 : 已知
dy dx
(t (t
) )
,
d2y d x2
(t ) (t )
即
类似地 , 二阶导数的导数称为三阶导数 , 依次类推 ,
n 1 阶导数的导数称为 n 阶导数 , 分别记作
y, y ( 4 ) , , y(n)
或
d d
3
x
y
3
,

3 x) 3x
f (x0 )
3 f ( x0 )
6．
（ 2） lim f ( x0 h) f ( x0 h) lim f ( x0 h) f ( x0 ) f ( x0 ) f ( x0 h)
h0
h
h0
h
lim f (x0 h)
h0
h
f (x0)
lim f (x0
h0
h) f (x0) h
2 f ( x0 )
内可导；
（ 2）若函数 y f ( x) 在区间 (a, b) 内可导，在区间左端点 a 的右导数 f (a) 和区间右
端点 b 的左导数 f (b) 均存在，则称 y f (x) 在闭区间 [ a,b] 上可导． 定义 4 若函数 y f ( x) 在区间 I （可以是开区间、闭区间或半开半闭区间）上可导，
x
x x0
x x0
值为 y f ( x) 在点 x0 的 左导数 ，记为 f ( x0 ) ，即
f ( x0 ) lim f ( x0 x0
x)
f (x0)
f (x) lim
f ( x0 ) ．
x
x x0
x x0
（ 2）设函数 y f ( x) 在点 x0 的某右邻域内有定义，当自变量 x 在点 x0 右侧取得增量
v(t0 ) lim v t0
1.1.2 平面曲线的切线斜率问题
s lim t0 t
lim s(t0
t0
t) s(t0) ． t
已知曲线 C : y f ( x) ，求曲线 C 上点 M 0 ( x0 , y0 ) 处的切线斜率．
欲求曲线 C 上点 M 0( x0 , y0) 的切线斜率，由切线为割线的极限位置，容易想到切线的

用归纳法寻求任意阶导函数表达式 y = ( cos x ) = - sin x ， y = ( cos x ) = ( - sin x ) = - cos x，
y = ( cos x ) = [( cos x )] =(- cos x )= sin x ， y ( 4) = ( cos x )( 4) = [( cos x )]=( sin x ) = cos x ， y ( 5) = ( cos x )( 5) = [( cos x )( 4)]=( cos x ) = - sin x ，
sin x n sin
x
n
2
C. P. U. Math. Dept. ·杨访
三角式的高阶导数往往会呈现出某种循环性，这 使得三角式高阶导数的计算比较繁杂。
由本题结果可方便地求出 sin k ax ,cos l bx 及其线 性式 sin k ax ±cos l bx 的 n 阶导数。
于是对于三角式的n 阶导数的计算常可考虑将其 转化为sin k ax ,cos l bx的线性式进行计算。
x
2
,
y cos x cos x cos x 2 , 2
y cos x sin x cos x 3 , 2
y4 cos x 4 sin x cos x 3 , 2
由此可见，cos x 的 n 阶导数可一般地写成：
cos x n cos
x
n
2
类似地可求得
的导数叫做四阶导数…… . 一般地，n - 1 阶导数的导
数叫做 n 阶导数，即 f ( n)( x )=[ f ( n-1)( x )]. 分别记作
f x , f 4 x , L , f n x 或
d3y dx3
,

n
其中公式(2)称为莱布尼茨(Leibniz)公式.
高等数学 第2章 导数与微分
2.3 高阶导数
例2.3.7
y sin x cos x
4 4
2 2 2 2
, 求
y
n
.
解 将 y 变形得
y sin x cos x
1 cos 4 x 3 1 1 cos 4 x 4 4 4
2 2x 2 2 x x2 1 x 2x x2
y
y
2 1 x 2 x x 1 x

2
2x x2


2x x
2


2
2 x x 1 x 2x x
2
2 2x 2 2x x
2
高等数学 第2章 导数与微分
x
n
k
k n
高等数学 第2章 导数与微分
2.3 高阶导数
如果函数 u u x 和 v v x 在点 x 处具有 n 阶导数, 那么
u x v x 和 u x v x 在点 x 处也都具有
n 阶导数（ , 是常数）, 且
n
n 1 ! 1 n 1 x
n 1
通常规定 0! 1 , 因此这个公式当 n 1 时也成立.
高等数学 第2章 导数与微分
2.3 高阶导数
例2.3.6
解
求
yx
1

(
是任意常数)的 n 阶导数.
y 1 x 2
,
y x

y sin x cos( x ) sin( x 2 ) 2 2

第四节
第二章
高阶导数
一、高阶导数的概念 二、几个常用函数的高阶导数 三、高阶导数的运算法则 四、隐函数的二阶导数 五、由参数方程确定的函数的二阶导数
一、高阶导数的概念
引例：变速直线运动 速度 加速度 即 即 v s
a ( s)
定义 如果函数f ( x )的导数f ( x )在点x处可导, 即 f ( x x ) f ( x ) ( f ( x )) lim x 0 x 存在, 则称( f ( x ))为函数f ( x )在点x处的二阶导数.
y (n) a n e ax
特别有: (e x ) ( n ) e x
f (n ) (0) 存在的最高 例6 设 f ( x) 3x x x , 求使
3 2
2 3 4x , x 0 f (x) 3 分析: 2x , x 0 2 x3 0 f (0) lim 0 12 x 2 , x x 0 f (x) 2 4 x3 0 6x , (0) lim f 0 x x 0 6x2 0 又 f (0) lim 24x , x x 0 f (x) 12x , 12 x 2 0 f (0) lim x x 0 但是 f (0) 12 , f (0) 24 , f (0) 不存在 .
若 为自然数 , y xn则 n
y
( n)
( x ) n! ,
n ( n)
y ( n 1) ( n! ) 0.
注意:求n阶导数时,求出1-3或4阶后, 分析结果的 规律性,写出n阶导数.(数学归纳法证明) 1 例2 设 y , 求y ( n) . xa n (1) n! ( n) 1 1 y . 解 ( x a) , n1 xa ( x a) 例3 设 y ln(1 x ), 求y (n) . 1 1 y 解 y 1 x (1 x ) 2 2! 3! (4) y y 3 (1 x ) (1 x ) 4 (n) n 1 ( n 1)! y ( 1) ( n 1, 0! 1) n (1 x )

x2 x 1
时代入上式

A 1
时代入上式 B 1 1 1 y x 2 x 1 1 1 (n) n y (1) n ! n 1 n 1 ( x 1) ( x 2)
16
例3
解:
设
求
其中 f 二阶可导.
17
内容小结
高阶导数的求法 (1) 逐阶求导法 (2) 利用归纳法 (3) 间接法 —— 利用已知的高阶导数公式 n! 1 (n) n (1) 如, ax (a x) n 1 n! 1 (n) ax (a x) n 1 (4) 利用莱布尼兹公式
n2时 f
提示:
(n)
( x) n ! [ f ( x)]
n 1
f (x) 2 f ( x) f ( x) 2 ! [ f ( x)]3 f (x) 2 ! 3[ f ( x)]2 f ( x) 3 ! [ f ( x)]4

20
例4. 设
求
1 2 y , 即 (1 x ) y 1 解: 2 1 x 用莱布尼兹公式求 n 阶导数
a 2 b 2 e ax y
a 2 b 2 e a x a 2 b 2 sin(bx 2 )
a b 2 2 n bx a ( n ) ( 2 b sin a x cos b x) b 2 2 2 2 2 2 y (a b ) e sin(bx n ) ( arctan ) a a b a cos sin
2 n
x2
16
,则
f (n ) (2) n !
提示:
2 2
16 x2 n n! ( x 1) cos 16 (2) 已知 f (x) 任意阶可导, 且 f ( x) [ f ( x)]2 , 则当

阶数 2
分析:
f
(
x)


4x3 2x3
, ,
x0 x0

f
(0)

lim
x 0
2x3 x
0
0
f (0)

lim
x0
4x3 0 x

0

f
(
x)


12x 2 , 6x2,
x0 x0
又
f
(0)

lim
x0
6x2 x
0
f
(0)

lim
x0
的导数为 f (x) 的二阶导数 , 记作 或
即
y ( y)
或
d2 y d x2
d (dy) d x dx
类似地 , 二阶导数的导数称为三阶导数 , 依次类推 ,
n 1 阶导数的导数称为 n 阶导数 , 分别记作
或
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例1. 设
求
解: y a1 2a2 x 3a3x2 nan xn1 y 2 1a2 3 2a3x n(n 1)an xn2
1
x2
B (x 1) 原式
1
x 1
y 1 1
x 2 x 1
y(n)

(1)n
n!
( x
1 2)n1

(x
1

1)
n1

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(4) y sin6 x cos 6 x
解:
sin4 x sin2 x cos 2 x cos 4 x

相应地, f ( x)称为零阶导数; f ( x)称为一阶导数.
二、 高阶导数求法举例
1.直接法:由高阶导数的定义逐步求高阶导数.
例1 设 y arctan x, 求f (0), f (0).
解
y

1
1 x
2
y

( 1
1 x
2
)

(1

2x x2
)2
y


(
(1

y(n) ( 1)( n 1)xn (n 1)
若 为自然数n,则
y(n) ( xn )(n) n!, y(n1) (n!) 0.
注意:
求n阶导数时,求出1-3或4阶后,不要急于合并, 分析结果的规律性,写出n阶导数.(数学归纳法证明)
例3 设 y ln(1 x), 求y(n) .
y

cos( x

)

sin(
x



)
sin(
x

2
)
2
22
2
y
cos(
x

2

2
)

sin(
x

3

) 2
y(n) sin( x n )
2
同理可得 (cos x)(n) cos( x n ) 2
例5 设 y eax sin bx (a, b为常数), 求y(n) . 解 y aeax sin bx beax cos bx
2. 高阶导数的运算法则:
设函数u和v具有n阶导数, 则
(1) (u v)(n) u(n) v (n)

(x 1)(n 1, 2,...).
注 0! 1,因此，这个结果n 1 时也成立.
例5
求函数 f (x)
1 x2 6x 5
(x 1,5)的 n 阶导数.
解
f
(x)
x2
1 6x 5
1 (x 1)(x 5)
1 4
1 x 5
1 x 1
f
( x)
1 4
(x
1 5)2
1 (x 1)2
例如，自由落体的位置函数 s(t) 1 gt2 ，一阶导数 2
v(t) s(t) gt 是瞬时速度， Biblioteka (t) (gt) g 是加速度 .
例 1 设 f (x) x5 4x2 3x, 求 f (x)及 f (1).
解 因为 f (x) 5x4 8x 3, 则 f (x) (5x4 8x 3) 20x3 8
所以 f (1) (20x3 8) |x1 12.
例 2 证明： y exsinx满足关系式 y 2 y 2 y 0.
证明 因为 y exsinx excosx ex (sinx cosx),
y ex sin x cos x ex cos x sin x 2ex sin x
一般地， f (x)的 n-1 阶导数的导数称为 f (x) 的 n 阶导数.
三阶导数的记号是
y,
f
( x),
d3 y dx3
或d3 f dx3
.
n
4时的
n
阶导数
的记号是
y(n) ,
f
(n) (x),
dn y dxn
或dn f dxn
.二阶或二阶以上的导数统
称为高阶导数.
二阶导数有明显的物理意义.变速直线运动的位置函 数s s(t)时，s(t)为瞬时速度v(t)，加速度是速度v(t)的变 化率，等于v(t) ，即位置函数 s(t)的二阶导数 s(t)为变速 直线运动的加速度 a(t ).

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定理 5. 给定 n 阶非齐次线性方程
无关特解, 的通解为
是对应齐次方程的 n 个线性 是非齐次方程的特解, 则非齐次方程
Y (x) y(x)
齐次方程通解 非齐次方程特解
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例3. 设线性无关函数
都是二阶非齐次线
性方程 y P(x) y Q(x) y f (x)的解, C1,C2 是任意 常数, 则该方程的通解是 ( D ).
三、线性非齐次方程解的结构
定理 3. 设 y * (x) 是二阶非齐次方程
①
的一个特解, Y (x) 是相应齐次方程的通解, 则
y Y (x) y *(x)
②
是非齐次方程的通解 .
证: 将 y Y (x) y *(x) 代入方程①左端, 得
(Y y *) P(x) (Y y *) Q(x) (Y y *)
d 2uC d t2
2
d uC dt
02uC
0
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例1 例2 方程的共性 — 可归结为同一形式:
y p(x) y q(x) y f (x), 为二阶线性微分方程.
n 阶线性微分方程的一般形式为
y(n) a1(x) y(n1) an1(x) y an (x) y f (x) f (x) 0 时, 称为非齐次方程 ; f (x) 0 时, 称为齐次方程.
性无关特解, 则 y C1y1(x) C2 y2 (x)
数) 是该方程的通解. (自证)
例如, 方程
有特解
且
y2 y1
tan
x
常数, 故方程的通解为
推论.
是 n 阶齐次方程

一、隐函数的导数
定义: 由方程F(x, y) 0所确定的函数称为隐函数.
y f ( x) 形式称为显函数.
F(x, y) 0
y f ( x) 隐函数的显化
问题:隐函数不易显化或不能显化如何求导?
隐函数求导法则:
用复合函数求导法则直接对方程两边求导.
1
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例1 求由方程 xy e x e y 0所确定的隐函数
dx n
dx n
二阶和二阶以上的导数统称为高阶导数.
相应地, f ( x)称为零阶导数; f ( x)称为一阶导数.
17
第17页/共29页
2、 高阶导数求法举例
（1）直接法: 由高阶导数的定义逐步求高阶导数.
例6 设 y arctan x, 求f (0), f (0).
解
y
1
1 x
2
y
( 1
1 x
dx
dt
25
第25页/共29页
例11
求由方程
x y
a cos3 a sin3
t t
表示的函数的二阶导数.
dy
解
dy dx
dt dx
3a sin2 t cos t
3a cos2 t( sin t) tan t
dt
d2y dx 2
d (dy ) dx dx
( tan t) (a cos3 t )
sec2 t 3a cos2 t sin t
sec4 t 3a sin t
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随堂练习：
求下列函数y的二阶导数：
(1) y x cos x；
(2) y2 2 xy 1；
(3) x2 y2 xy 1；

三角函数
sin(x)、cos(x)、 tan(x)等的导数公式
四则运算求导法则
01
加法法则
[f(x)+g(x)]'=f'(x)+g'(x)
02
03
04
减法法则
[f(x)-g(x)]'=f'(x)-g'(x)
乘法法则
[f(x)*g(x)]'=f'(x)g(x)+f(x)g'(x )
ห้องสมุดไป่ตู้除法法则
[f(x)/g(x)]'=[f'(x)g(x)f(x)g'(x)]/[g(x)]^2（g(x)≠0）
弹性分析
弹性是经济学中一个重要概念，表示因变量对自变量变化的 敏感程度。通过求导数，可以计算各种弹性系数，如价格弹 性、收入弹性等，进而分析市场供求关系和经济政策效果。
04 高阶导数概念及计算
高阶导数定义及性质
高阶导数定义
函数f的n阶导数记为f^(n)，表示f的 导数f'的n-1阶导数，其中n为正整数。
三角函数
正弦函数sinx和余弦函数cosx的n阶 导数具有周期性，可通过归纳法得到 通项公式。
泰勒公式与麦克劳林公式简介
泰勒公式
泰勒公式是用多项式逼近复杂函数的一种方法，它将函数在某一点附近展开成无穷级数的形式，级数 的每一项都与函数在该点的各阶导数有关。
麦克劳林公式
麦克劳林公式是泰勒公式在x=0处的特例，它将函数展开成幂级数的形式，级数的每一项都与函数在 x=0处的各阶导数有关。麦克劳林公式在求解一些定积分和级数求和等问题时具有重要应用。
注意事项
在求参数方程的导数时，需要注意参数的变化范围以及导数的存在性。