Производные высших порядков
Производные порядка выше первого называются производными высших порядков.
Рассмотрим явно заданную функцию .
Производная этой функции – функция, зависящая от
. Если функция
дифференцируема, то её производная называется производной второго порядка и обозначается
или
.
Следовательно, .
Производная от производной второго порядка, если она существует, называется производной третьего порядка и обозначается
. Следовательно,
.
Производной n-го порядка (или n-й производной) называется производная от производной порядка:
.
Начиная с производной четвертого порядка, производные обозначают римскими цифрами или числами в скобках ( или
– производная пятого порядка).
Пример. Найти производную -го порядка от функции
.
Решение:
,
,
,
,
…………….,
.
Ответ: .
Рассмотрим функцию заданную неявно в виде уравнения
.
Первую производную от неявной функции можно найти по формуле . Так как первая производная
выражается через неявную функцию, то при её повторном дифференцировании нужно учитывать, что
.
Пример. Найти производную второго порядка от функции .
Решение: Дифференцируем уравнение по
.
. Далее имеем:
.
Ответ: .
Рассмотрим функцию заданную параметрически:
Как известно, первая производная находится по формуле
.
Найдем вторую производную от функции заданной параметрически. Из определения второй производной и формулы следует, что
, т.е.
. (2.4.1)
Аналогично получаем …,
и т.д.
Пример. Найти производную второго порядка от функции
Решение: .
Тогда по формуле (2.4.1) .
Ответ: .
Пусть материальная точка движется прямолинейно по закону
. Как уже известно, производная
равна скорости точки в данный момент времени:
.
Пусть в момент времени скорость точки равна
, а в момент
– скорость равна
, т.е. за промежуток времени
скорость изменилась на величину
.
Отношение выражает среднее ускорение движения точки за время
. Предел этого отношения при
, называется ускорением точки
в данный момент времени
и обозначается
:
, т.е.
.
Но . Поэтому
, т.е.
.
Таким образом, вторая производная пути по времени есть величина ускорения прямолинейного движения, т.е.
.
Рассмотрим функцию двух переменных, заданную в явном виде . Её частные производные
и
являются также функциями двух переменных
и
. Следовательно, от них снова можно взять частные производные по
и по
:
,
,
Аналогично определяются частные производные третьего, четвертого и т.д. порядков. Так,
.
Частная производная второго или более высокого порядка, взятая по различным переменным, называется смешанной частной производной. Таковыми являются, например,
,
,
.
Пример. Найти частные производные второго порядка функции .
Решение:
Так как и
, то
,
,
,
.
Оказалось, что . Этот результат не случаен. Имеет место теорема.
Теорема 1. Если частные производные высшего порядка непрерывны, то смешанные производные одного порядка, отличающиеся лишь порядком дифференцирования, равны между собой.
В частности, для имеем:
.