Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Высшая_математика_Том1

.pdf
Скачиваний:
48
Добавлен:
27.03.2015
Размер:
2 Мб
Скачать
☆

Аналогично вычисляется

(ctg x)′ = − 1 . sin2 x

2. (x ln x)′ = x′ ln x + x(ln x)′ = ln x + x = ln x + 1.

3.

 

 

′

 

 

 

)′

 

 

 

 

 

x

 

 

sin x

 

(

sin x

x

x

sin x

 

(

cos x x

sin x

 

 

=

 

−

′

 

=

) −

 

.

x

 

 

 

x2

 

 

 

x2

 

4. (ln xα)′ = (α ln x)′ = α(ln x)′ = α , α —const. x

6.2.2. Производная сложной функции

Теорема 6.2.2. (правило дифференцирования сложной функции). Пусть определена сложная функция f ◦ϕ(x) и пусть:

1)

существует ϕ′(x) в точке x,

 

2)

существует f ′(y) в точке y = ϕ(x).

 

Тогда существует ( f ◦ϕ(x))′ в точке x, причем

 

 

( f ◦ϕ(x))′ = ( f ′ ◦ϕ(x)) ·ϕ′(x).

(6.2.1)

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО. По теореме о необходимом и достаточном условии

дифференцируемости (п 6.1.4) напишем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f = f (y + y) − f (y) = f ′(y) y + o( y),

где o( y)/ y → 0 при

y → 0. Разделив это равенство на x, получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

= f ′(y)

y

+

o( y)

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

x

x

 

 

 

 

 

 

 

 

Представим второе слагаемое в виде

o(

y)

=

o(

 

 

y)

 

 

y

и, учитывая, что

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

y → 0 при x → 0, заключаем, что

 

 

 

 

 

x

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

o( y)

= lim

o( y)

 

 

y

= y′(x) lim

 

o(

 

y)

= 0.

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→0

 

 

 

y→0

y

x

 

 

y→0

y

 

 

 

Учитывая это и переходя к пределу в выражении

 

f

, получаем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

f

= f ′(y)y′(x).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→0

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставляя сюда y = ϕ(x) и учитывая, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

f

= lim

f ◦ϕ(x +

x) − f ◦ϕ(x)

= ( f

◦

ϕ(x))′.

 

 

 

 

x

→

0

 

x

x

→

0

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Получаем требуемое правило.

211

Следствие 6.2.4. Пусть определена сложная функция, являющаяся ком-

позицией более двух функций

f ◦ ϕ ◦ ψ(x). Тогда, применяя теорему 6.2.2

вначале к сложной функции

f ◦ f1 (x), где f1 (x) = ϕ ◦ ψ(x), а затем к

f1 (x) = ϕ ◦ψ(x), получим

 

( f ◦ϕ ◦ψ(x))′ = ( f ′ ◦ϕ ◦ψ(x))(ϕ′ ◦ψ(x))ψ′(x).

Применение этого правила требует правильной расстановки композиций в сложной функции.

ПРИМЕР 6.2.2. Найти (tg3 (x))′.

Здесь tg3 (x) есть композиция двух функций y3 и y = tg x. Поэтому

(tg3 (x))′ = (y3 )y′ yx′

1

 

 

3 tg2 (x)

= 3y2 (x)

 

 

=

 

 

.

cos2 x

cos2 (x)

 

ПРИМЕР 6.2.3. Найти (tg x3 )′.

 

 

 

 

 

Здесь

tg x3 = z(y(x)), z(y) = tg y, y = x3 . Поэтому (tg x3 )′ = zy′ yx′ =

 

1

3x2

=

 

3x2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

cos2 x3

 

 

 

 

 

 

cos2 y

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРИМЕР 6.2.4. Найти (ln(3 + 2 sin x)′.

Здесь ln(3 + 2 sin x) = w(z(y(x))), где w(z) = ln z, z(y) = 3 + 2y, y(x) = sin x.

Поэтому (ln(3 + 2 sin x))′ = w′ z′ y′

=

1

·

2 cos x =

2 cos x

.

z

 

z y x

 

 

3 + 2 sin x

Следствие 6.2.5. (инвариантность формы дифференциала). Дифференциал сложной функции w = w(y), где y = y(x) может быть записан в виде dw = w′y dy, где dy = y′x dx. Таким образом формула для дифференциала сложной функции имеет такой же вид, как и в том случае, если бы промежуточный аргумент y являлся бы независимой переменной

dw = (w(y(x)))x′ dx = wy′ yx′ dx = wy′ dy.

(6.2.2)

Это свойство дифференциала сложной функции называется инвариантностью формы дифференциала.

6.2.3. Производная обратной функции

Теорема 6.2.3. (о производной обратной функции). Пусть

1)функция y = y(x) в окрестности точки x имеет обратную непрерывную непрерывную функцию x = x(y),

2)существует конечная производная y′(x) 6= 0 в точке x.

212

Тогда обратная функция x(y) имеет производную в точке y = y(x), вычисляемую по правилу

xy′ (y) =

1

.

(6.2.3)

 

y′(x(y))

 

 

 

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО. В силу непрерывности x(y) условие y → 0 влечет

x → 0. Поэтому

 

 

x

 

x

 

1

 

 

1

 

lim

= lim

= lim

=

 

.

y

y

y

 

y

→

0

x 0

x 0

 

y′(x)

 

 

 

→

 

→

 

 

 

 

 

x

Следовательно существует предел левой части, который по определению равен xy′ (y). Осталось заметить, что в правой части x = x(y). Правило (6.2.3) доказано.

ЗАМЕЧАНИЕ 6.2.1. Обратим внимание на то, что левая и правая часть формулы (6.2.3) зависит того же аргумента, от которого зависит обратная функция.

Применим теорему 6.2.3 к вычислению обратных функций.

1. Рассмотрим y = ax . Эта функция является обратной к функции x = loga y. Так как

 

 

 

xy′ = (loga y)y′

=

 

1

,

 

 

 

 

 

 

 

 

y ln a

 

 

= y ln a y=ax

 

 

 

1

 

 

 

 

 

то yx′ (x) = (ax)′ =

 

= ax ln a.

 

 

xy′ (y)

 

 

Таким образом

 

x

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(a )′

= a ln a,

 

 

в частности, при a = e, получаем (ex)′ = ex .

 

значений аргументов x

Полученная формула

справедлива для

(−∞, ∞) y (0, ∞).

 

 

 

 

 

 

 

2. Рассмотрим функцию y = arcsin x, x (−1, 1) y (−π/2, π/2),

являющаяся обратной к x = sin y.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Так как (sin y)′ = cos y

> 0

при

y

 

(

−

π/2, π/2),

то y′

=

1

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

1

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= (arcsin x)x′ = xy′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= cos y

=

1

−

sin2 y

 

= √1 x2 . Таким образом,

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y=arcsin x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(arcsin x)′

=

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

√1 −x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Аналогично доказывается формула

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(arccos x)′ = −

1

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

√

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 −x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

213

4. Вычислим (arctg x)′. Здесь x (−∞, ∞) arctg x = y (−π/2, π/2),

для этих y (tg y)′ =

1

> 0. Применяя формулу (6.2.3), находим

 

 

cos2 y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

1

 

(arctg x)x′

=

 

= cos2 y =

 

 

 

 

 

=

 

,

(tg y)′y

1 + tg2 y

1 + x2

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a=arctg x

 

 

 

откуда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(arctg x)x′ =

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

5. Аналогично вычисляется формула

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(arcctg x)x′ = −

1

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 + x2

 

 

 

6. Рассмотрим y = xα, где α — любое действительное число (область определения y(x) зависит от α). Представим эту функцию в виде композиции

xα = eα ln x = w(z(y(x))), где w(z) = ez, z(y) = αy, y(x) = ln x. Тогда по правилу дифференцирования сложной функции получаем

(xα)′x = w′zz′yy′x = ezα 1 = αxα−1 . x

6.2.4. Сводка основных правил и формул

Для удобства соберем воедино полученные нами правила дифференцирования и таблицу производных элементарных функций.

Правила дифференцирования

производные

 

дифференциалы

 

(Cu)′ = Cu′ (C — const)

 

d(Cu) = C du

 

(u ±v)′ = u′ ±v′

 

d(u ±v) = du ±dv

 

(uv)′ = u′v ±uv′

 

d(uv) = du v ±u dv

 

u

′

=

u′v −uv′

 

 

d

u

 

=

du v −u dv

 

 

 

v

 

 

v

 

 

v2

 

 

 

 

 

v2

 

 

 

y′

 

x′

 

 

 

 

y′

y′ x′

 

′

 

 

(x)

 

 

 

(x) dx

(z(y(x))) = z

(y(x))y

d(z(y(x))) = z

dy = z y

214

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица производных

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. (C)′ = 0 (C — const)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. (xα)′ = αxα−1 , (x)′ = 1,

x ′

 

= −x2

, (√x)′ = 2√x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. (loga

(x))′ =

 

 

1

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

(ln x)′

=

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x ln a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. (ax)′

= ax ln a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(ex )′ = ex

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. (sin x)′ = cos x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. (cos x)′

= −sin x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. (tg x)′ =

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. (ctg x)′

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos2 x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin2 x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9. (arcsin x)′

=

√

 

1

 

 

 

 

 

 

 

10. (arccos x)′ = −

√

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

x2

 

1

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11. (arctg x)′

 

 

 

 

 

1−

 

 

 

 

 

 

 

12. (arcctg x)′

1

−

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 + x2

 

 

 

 

1 + x2

 

 

 

ПРИМЕР 6.2.5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.

y = etg

x; y′ = (etg

x)′

= etg

x2 tg x

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos2 x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. y = anxn + an−1xn−1 + . . . + a1 x + a0 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y′ = nanxn−1 + (n

 

1)an

1xn−2 + . . . + a1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.

 

3

ax; y′

 

 

− 2

 

 

−

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y = sin

 

= 3 sin

ax cos ax ·a.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

 

 

 

y =

√n

x2 + 1

 

 

 

 

√n

x2 −1

;

 

 

 

y′

= (x2 + 1)1/n −(x2 −1)1/n

 

′

 

=

 

 

 

 

 

1

(x2

+

− 1)1/n−12x

 

 

 

−

 

 

 

1

(x2

 

−

1)1/n−12x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

2x

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

−

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

!.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

n

(x2 + 1)n−1

(x2

−1)n−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. (

 

 

 

 

 

 

p′ =

 

 

 

 

 

 

 

− p

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ex cos 3x)

ex cos 3x

 

 

3ex sin 3x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.

 

 

 

ex

 

 

 

′ =

ex sin 2x −2ex cos 2x

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin 2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin2 2x

 

 

 

 

 

 

cos x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. (arctg2 (sin x))′ = 2 arctg sin x

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 + sin2 x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

=

6.2.5. Логарифмическое дифференцирование

Дифференцирование показательно-степенной функции y = = f (x)ϕ(x). Эта функция не является элементарной (если обе функции f и ϕ отличны от постоянной), так как не является композицией вида f ◦ϕ(x). Чтобы найти y′(x) выполним операцию логарифмирования равенства y = f ϕ:

ln y(x) = ϕ(x) ln f (x)

215

и продифференцируем обе части, считая ln y(x) сложной функцией по x. Тогда

 

 

 

 

y′

 

= ϕ′ ln f +

ϕ

f ′.

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

 

 

Выражая отсюда y′ и подставляя значение y(x), получим

 

 

 

y′(x) = y(x) ϕ′ ln f +

ϕ

 

 

 

 

 

f ′ = f ϕϕ ln f + f

ϕ−1ϕ f

′.

 

 

f

ПРИМЕР 6.2.6. y = xsin x. Логарифмируем это равенство

 

 

 

 

 

 

ln y = sin x ln x,

 

 

дифференцируем и выражаем y′:

 

 

 

y′

= cos x ln x +

sin x

,

y′ = xsin x cos x ln x + xsin x−1 sin x.

 

y

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

6.2.6. Дифференцирование произведения

Пусть F (x) = f1 (x) · f2 (x) · ... · fn(x). Применять правило дифференцирования произведения здесь неэффективно если n > 3. Логарифмируя это равенство, получим

ln F (x) = ln f1 (x) + . . . + ln fn(x).

 

 

Дифференцируя обе части, получим

 

 

 

 

 

 

 

 

F ′(x)

=

f1′

+ . . . +

 

fn′

,

 

 

 

F (x)

 

f1

fn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

откуда находим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F ′(x) = ( f1 (x) f2 (x) ··· fn(x))

f1′

+ . . . +

fn′

,

f1

 

fn

ПРИМЕР 6.2.7. y = sin x sin 2x sin 3x. Логарифмируя это равенство, получаем

ln y = ln sin x + ln sin 2x + ln sin 3x.

Дифференцируем обе части и выражаем y′

y′(x) = (sin x sin 2x sin 3x)(ctg x + 2 ctg 2x + 3 ctg 3x).

216

6.2.7. Дифференцирование неявно заданных функций

Пусть функция y(x) задана неявно посредством уравнения F (x, y) = 0. Тогда дифференцируем заданное уравнение F (x, y(x)) = 0, считая y зависящим от x. Из полученного после дифференцирования равенства выражаем y′(x).

Рассмотрим примеры.

 

 

x2

 

 

y2

 

 

 

 

1.

 

 

+

 

 

 

= 1 (уравнение эллипса). Дифференцируя обе части этого

2

b

2

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

уравнения по x, получим

 

 

2yy′

 

 

 

 

 

 

 

 

2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

= 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

a

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

Отсюда выражаем y′ = b2 x a2 y

2. ey+x = 2y + x. Дифференцируя, находим ey+x(y′ + 1) = 2y′ + 1. Отсюда выражаем y′

y′ = ex+y −1 .

2 −ex+y

Чтобы найти значение такой производной в точке x = x0 , надо из уравнения F (x, y) = 0 при x = x0 выразить значение y0 и подставить в выражение для y′. Иногда это бывает практически невыполнимо, как в примере 2, где x и y связаны соотношением ey+x = 2y + x, не допускающим разрешение относительно y.

6.2.8. Дифференцирование функций, заданных параметрически

Пусть функция y(x) задана параметрически x = x(t), y = y(t), t (t1 , t2 ), (см. п. 0.6.3).

Теорема 6.2.4. Пусть

1)функция x(t) и y(t) имеют в точке t (t1 , t2 ) конечные производные x′(t) и y′(t);

2)xt′(t) 6= 0. Тогда существует производная y′x(x) в точке x = x(t), причем

yx′

y′(t)

 

(x(t)) =

t

(6.2.4)

 

 

xt′(t)

 

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО. Следуя теореме о необходимом и достаточном условии дифференцируемости, напишем

x = xt′(t) t + o1 ( t), y = yt′(t) t + o2 ( t),

217

где oi(

t)/

t → 0 при

t → 0 (i = 1, 2). Преобразуем отношение

 

 

 

 

 

 

y

=

yt′

t + o2

=

 

yt′ t + o2

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

x

t + o

t 1 +

o1 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t′

1 xt′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t xt′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

yt′

 

 

1

 

 

 

+

o2

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xt′

1 +

 

o1 1

t

 

x′ +

o1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t xt′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Так как oi/δt → 0 при t → 0, (i = 1, 2), то первое слагаемое имеет предел

y′/x′, а второе является бесконечно малой функцией при

t

→

0. Таким

t t

 

 

образом, правая часть равенства стремится к yt′/xt′.

 

 

 

В левой части, в силу непрерывности дифференцируемой функции x(t),

условие t → 0 влечет x → 0. Поэтому

 

 

 

lim

y

= lim

 

y

= y′

(x(t)).

 

 

 

x→0

x t→0

x

x

 

 

 

Теорема доказана.

ПРИМЕР 6.2.8. Точка движется по окружности по закону x = R cos ωt, y = R sin ωt. Найти y′x.

РЕШЕНИЕ. y′

=

yt′

=

 

ωR cos ωt

=

 

x(t)

.

x′

 

 

 

 

x

 

 

−

ωR sin ωt

−y(t)

 

 

t

 

 

 

 

 

 

Из это формулы следует, что в точках пересечения с осью Ox, когда y = 0,

касательная параллельна оси Oy.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРИМЕР 6.2.9. x = et , y =

1

(et + e−t ). Найти yx′ .

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y′

 

 

1 et

−

e−t

 

1

−

e−2t

 

1

−

1/x2

РЕШЕНИЕ.

yx′ =

t

 

=

 

 

 

=

 

 

=

 

 

=

xt′

2

 

et

 

2

 

 

2

= x2 −1 .

2x2

§ 6.3. Повторное дифференцирование

6.3.1. Производные старших порядков

Пусть y = f (x) дифференцируема и f ′(x), рассматриваемая как функция от x, снова является дифференцируемой функцией. Тогда определена вторая

производная

 

 

 

 

 

 

 

d

d f

 

d2 f

 

 

 

=

 

.

 

dx

dx

dx2

218

(читается «d два f по dx дважды»).

 

 

 

 

 

 

 

Аналогично определяются производные третьего

 

 

 

 

 

d

d2 f

d3 f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

dx

dx2

dx3

 

(читается «d три f по dx трижды») и n-го порядков

 

 

 

 

d

 

 

dn−1 f

 

dn f

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

.

 

 

 

 

 

dx

dxn−1

dxn

 

При небольших значениях n приняты обозначения

 

d2 f

= ( f ′)′ = f ′′,

d3 f

 

= ( f ′′)′ = f ′′′,

d4 f

= f IV и т. д.

 

dx3

 

dx4

 

dx2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если функция f (x) имеет n-ю конечную производную в каждой точке интервала (a, b), то она называется n-раз дифференцируемой на (a, b) (дважды, трижды и т. д.)

ЗАМЕЧАНИЕ 6.3.1. Определение второй производной связано с вычислением ускорения — производной от скорости. Производные высоких порядков, как будет показано дальше, используются в задаче приближения функции многочленами.

Рассмотрим примеры:

 

 

 

 

 

 

 

 

1. y = xm.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dny

m(m

 

1)

 

(m

 

n + 1)xm

n

при n 6 m,

 

 

= y(n) =

 

−

 

···

 

−

−

 

при n > m.

 

dxn

0

 

 

 

 

2.xex. Найти y(n). y′ = ex + xex;

y′′ = ex + ex + xex = 2ex + xex;

. . .

y(n) = nex + xex.

6.3.2.Повторное дифференцирование неявно заданных функций

Пусть y(x) задана неявно уравнением F (x, y) = 0. Дифференцируя это уравнение и выражая y′, получаем зависимость вида y′ = F1 (x, y). Дифференцируя этузависимость еще раз, получаем выражение вида y′′ = F2 (x, y, y′). Подставляя сюда y′ = F1 (x, y), получаем выражение для y′′.

Рассмотрим примеры:

1.x2 + y2 = R2 . Найти y′′. Дифференцируя уравнение, получаем a2 b2

2x

+

2y ·y′

= 0

 

y′ =

 

x

 

b2

.

a2

 

 

 

b2

 

 

−y a2

219

Дифференцируя повторно и подставляя значение y′, получаем

y

 

=

b2

 

 

y −xy′

 

=

 

b2

 

 

1 + x2 b2 .

 

′′

 

−

 

 

 

 

 

 

 

 

−

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a2

 

y2

 

 

a2

y

y3

a2

2. x2 −y2 = 1. Найти y′′. Дифференцируя первый раз, находим y′:

 

 

 

 

2x

−

2yy′ = 0 = y′ =

x

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

Дифференцируя второй раз и подставляя y′, находим

 

 

 

 

 

 

y′′ =

y −xy′

=

1

 

 

x2

.

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y2

 

 

 

− y3

 

6.3.3.Повторное дифференцирование функций, заданных параметрически

Пусть функция y = y(x) задана параметрически y = y(t), x = x(t) и функции x(t) и y(t) дифференцируемы на (t1 , t2 ) требуемое число раз, причем xt′(t) =6 0. Будем считать, что в равенстве

y′x(x(t)) = yt′′(t) , xt (t)

выражающем неявную производную, обе части зависят от (одного и того же!) аргумента t. Дифференцируя это равенство по t и учитывая, что y′x (x(t)) — сложная функция по t, получаем

d

 

 

y′′x′

x′′y′

 

 

y′′x′

x′′y′

 

(y′

(x(t))) = y′′x′ =

t t

− t t

 

y′′(x(t)) =

t t

− t t

.

 

 

 

 

 

dx

x

x t

xt′

x

 

xt′3

Чтобы найти y′′′x (x), дифференцируем обе части полученного равенства по t, и, учитывая, что (y′′x (x(t)))t′ = y′′′x (x) · xt′, выражаем y′′′x (x). Таким образом

можно вычислить производную по x y(xn)(x) любого порядка n.

ПРИМЕР 6.3.1 (движение по окружности). x = R cos ωt, y = R sin ωt. Най-

ти y′′. Находим y′ =

 

cos ωt

 

=

−

ctg ωt. Дифференцируя по t, получаем

− sin ωt

x

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y′′x′

=

 

ω

 

 

 

 

 

y′′ =

1

 

 

ω

 

=

 

1

 

.

 

 

sin2 ωt

 

 

 

 

sin2 ωt

 

 

 

 

x t

 

 

 

 

x

xt′

 

 

 

−R sin3

ωt

 

 

ПРИМЕР 6.3.2.

x = et , y =

1

(et −e−t ). Найти yx′′. Находим yx′ =

1

(1 + e−2t ).

 

 

 

2

2

Дифференцируя по t, получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y′′x′ = e−2t

 

y′′ =

−

e−2t

1

=

−

e−3t =

 

 

1

.

 

 

 

 

 

 

 

x t

−

 

x

 

 

 

xt′

 

 

 

−x3

 

 

220