本课对导数再求导。函数的导数是另一个函数,它本身还可以再求导:这样就得到二阶导数、三阶导数,一般地得到 n 阶导数;对于幂函数、指数函数、正弦和余弦,它有一个封闭的公式,用归纳法证明。乘积的 n 阶导数遵循与二项式的幂相同的规律:这就是莱布尼茨公式。本课的后半部分分别赋予莱布尼茨记号中的符号 dy 和 dx 以意义:微分 dy=f′(x)dx 是函数增量的线性部分,是唯一一个与增量之差相对于自变量的增量可以忽略的部分。借助微分可以求近似值,并估计测量误差如何传播,但暂不打算给出近似误差的界。
设 f 是定义在 A 上的函数。f 的高阶导数用递归方式定义:0 阶导数是函数本身,而 n+1阶导数是 n 阶导数的导函数:
f(0)=f,f(n+1)=(f(n))′(n≥0)
由导函数的定义,n+1 阶导数的定义域是 f(n) 的定义域中使 f(n) 可导的点所成的集合。称 fn 阶可导于点 a,是指 a 属于 f(n) 的定义域;称它在集合 S 上如此,是指它在 S 的每一点处都如此;称它在 S 上无穷次可导,是指它对任意 n 都如此。前几阶用撇号表示:f′′=f(2)(二阶导数)和 f′′′=f(3);从四阶起把阶数写在括号里,如 f(4),以免与幂混淆。若 y=f(x),在莱布尼茨记号中写作 dx2d2y 和 dxndny,而求导 n 次的运算写作 dxndn。
在莱布尼茨记号中,分子的指数表示运算 dxd 施行的次数,分母的指数作用于整个符号 dx,而不作用于变量 x;完整的符号 dx2d2y 作为一个整体来读。若 f 在某点处 n 阶可导,则每个阶数小于 n 的导数都在该点可导,因而由关于作为极限的导数的那一课中可导必连续的定理,在该点连续。即使一阶导数存在,二阶导数也可能不存在:关于求导法则的那一课说明了 x∣x∣ 在整个 R 上可导,导数为 2∣x∣,而由连续而不可导的命题,绝对值在 0 处不可导。因此 x∣x∣ 在 R 上可导一次,而只在 R∖{0} 上可导两次,在那里它的二阶导数取值 2(在 0 的右侧)和 −2(在左侧)。
为了不重复关于定义域的假设,一般性命题中的函数都看作定义在开区间 I 上,它的点都是 I 的聚点。这样做并无损失:由关于求导法则的那一课中导数的局部性引理的第二个结论,在包含于定义域内的开区间的一点处,函数的导数等于它在该区间上的限制的导数;由归纳法,高阶导数也是如此。因此,x1 在 (−∞,0) 上和在 (0,∞) 上研究。
引理高阶导数的线性性
设 f 和 g 是定义在开区间 I 上且 n 阶可导于 I 的函数,并设 α 是实数。则 h=αf+gn 阶可导于 I,且 h(n)=αf(n)+g(n)(在 I 上)。 将关于求导法则的那一课中线性组合的导数的定理应用 n 次。
证明
1
h′(x)=αf′(x)+g′(x)
当 n=1 时,这就是线性组合的导数的定理,在 I 的每一点处应用。
2
h(n+1)(x)=αf(n+1)(x)+g(n+1)(x)
若等式对 n 成立,且 f 和 g 是 n+1 阶可导于 I 的,则函数 h(n)=αf(n)+g(n) 是两个在 I 上可导的函数的线性组合;由同一定理,它在 I 上可导。由数学归纳原理,等式对任意 n 成立。