Краткое содержание
На этом занятии дифференцируется сама производная. Производная функции есть другая функция, которую в свою очередь можно дифференцировать: так получаются вторая производная, третья и вообще производная порядка , которая для степеней, экспоненты, синуса и косинуса выражается замкнутой формулой, доказываемой по индукции. Производная порядка от произведения подчиняется тому же закону, что и степень двучлена: это формула Лейбница. Вторая половина занятия придаёт смысл по отдельности знакам и обозначения Лейбница: дифференциал есть линейная часть приращения функции, единственная, которая отличается от него на величину, пренебрежимо малую по сравнению с приращением аргумента. С его помощью вычисляются приближённые значения и оценивается, как распространяется погрешность измерения, пока без попытки оценить сверху погрешность самого приближения.
Цели обучения
- Определить производные высших порядков с их областью определения и получить по индукции производную порядка от степеней, экспоненты, синуса, косинуса и многочленов.
- Доказать формулу Лейбница для производной порядка от произведения и применять её, когда один из множителей есть многочлен.
- Определить дифференциал и доказать, что он есть главная часть приращения, различая и .
- Вычислять приближённые значения и оценивать относительные погрешности с помощью дифференциала, понимая, что утверждает приближение и чего оно не утверждает.
Производные высших порядков
Производная функции есть другая функция, и ничто не мешает продифференцировать её снова. Производная от равна , а от равна ; от равна , а от равна . Если есть положение движущегося тела в момент , то его производная есть скорость, а производная скорости, которая измеряет, как быстро меняется сама скорость, есть ускорение; это прочтение изучит занятие о скорости изменения. Как и на занятии о производной как пределе, нужно точно указать, где определена каждая производная.
Пусть есть функция, определённая на . Производные высших порядков функции определяются по рекурсии: производная порядка есть сама функция, а производная порядка есть производная функция от производной порядка :
По определению производной функции, область определения производной порядка есть множество тех точек области определения , в которых дифференцируема. Говорят, что раз дифференцируема в точке , если принадлежит области определения ; на множестве , если она такова в каждой точке ; и бесконечно дифференцируема на , если она такова при всяком . Первые из них записываются штрихами, (вторая производная) и ; начиная с четвёртого порядка порядок пишут в скобках, как , чтобы не спутать его со степенью. Если , то в обозначении Лейбница пишут и , а операцию -кратного дифференцирования обозначают .
В обозначении Лейбница показатель в числителе указывает, сколько раз применяется операция , а показатель в знаменателе относится ко всему символу , а не к переменной ; полный знак читается как единое целое. Если раз дифференцируема в точке, то каждая производная порядка меньше дифференцируема в ней и, по теореме занятия о производной как пределе, согласно которой из дифференцируемости следует непрерывность, непрерывна в ней. Вторая производная может не существовать, даже если первая существует: занятие о правилах дифференцирования показало, что дифференцируема на всём с производной , а модуль не дифференцируем в по предложению о непрерывности без дифференцируемости. Следовательно, дифференцируема один раз на и дважды только на , где её вторая производная равна справа от и слева.
Чтобы не повторять предположений об области определения, функции в общих утверждениях считаются определёнными на интервале , все точки которого являются предельными точками . Ничего не теряется: по второму утверждению леммы о локальном характере производной из занятия о правилах дифференцирования, в точке интервала, содержащегося в области определения, производная функции равна производной её сужения на этот интервал, и по индукции то же верно для производных высших порядков. Так, изучается на и на .
Пусть и есть функции, определённые на интервале и раз дифференцируемые на , и пусть есть действительное число. Тогда раз дифференцируема на , и на . Теорема о производной линейной комбинации из занятия о правилах дифференцирования применяется раз.
Доказательство
При это теорема о производной линейной комбинации, в каждой точке .
Если равенство верно для , а и раз дифференцируемы на , то функция есть линейная комбинация двух функций, дифференцируемых на ; по той же теореме она дифференцируема на . По принципу математической индукции равенство верно при всяком .
Загрузка содержимого…