67. Дифференциалы высших порядков. Неинвариантность формы записи.

Дифференциалом порядка n, где n > 1 от функции в некоторой точке называется дифференциал в этой точке от дифференциала порядка(n — 1), то есть

  .

Дифференциал высшего порядка функции одной переменной

Для функции, зависящей от одной переменной второй и третий дифференциалы выглядят так:

Отсюда можно вывести общий вид дифференциала n-го порядка от функции :

При вычислении дифференциалов высших порядков очень важно, что есть произвольное и не зависящее от, которое при дифференцировании последует рассматривать как постоянный множитель.

Дифференциал высшего порядка функции нескольких переменных

Если функция имеет непрерывные частные производные второго порядка, то дифференциал второго порядка определяется так:.

Символически общий вид дифференциала n-го порядка от функции выглядит следующим образом:

где , апроизвольные приращения независимых переменных. Приращениярассматриваются как постоянные и остаются одними и теми же при переходе от одного дифференциала к следующему. Сложность выражения дифференциала возрастает с увеличением числа переменных.

Неинвариантность дифференциалов высшего порядка

При  ,-й дифференциал не инвариантен (в отличие отинвариантности первого дифференциала), то есть выражение зависит, вообще говоря, от того, рассматривается ли переменнаякак независимая, либо как некоторая промежуточная функция другого переменного, например,.

Для доказательства неинвариантности дифференциалов высшего порядка достаточно привести пример. При n = 2 и  :

• если  — независимая переменная, то

• если  и

1. 

2. при этом,  и

С учётом зависимости , уже второй дифференциал не обладает свойством инвариантности при замене переменной. Также не инвариантны дифференциалы порядков 3 и выше.

68. Правило Лопиталя. Раскрытие неопределенностей с использованием правила Лопиталя.

Теорема (правило Лопиталя). Пусть функции f(x) и g(x) дифференцируемы в некоторой окрестности точки a, за исключением, быть может, самой точки a, и пусть или. Тогда, если существует предел отношения производных этих функций, то существует и предел отношения самих функцийf(x)/g(x) при x→а, причем

(1)

Таким образом, коротко правило Лопиталя можно сформулировать следующим образом: предел отношения двух бесконечно малых или двух бесконечно больших величин равен пределу отношения их производных.

Замечание. Отметим, что формула (1) справедлива только в том случае, если предел, стоящий справа, существует. Может случиться, что предел, стоящий слева существует, в то время как предел, стоящий в правой части равенства, не существует.

Например, найти . Этот предел существует. Но отношение производных(1+cosx)/1=1+cos x при x→∞ не стремится ни к какому пределу.

Заметим, что если отношение производных опять представляет собой неопределенность вида 0/0 или ∞/∞, то можно снова применить сформулированную теорему, то есть перейти к отношению вторых производных и так далее.

Вспомним, что к этим двум случаям сводятся случаи других неопределенностей: ∞·∞; 0·∞.

Для раскрытия неопределенностей 1^∞, 1⁰, ∞⁰ нужно прологарифмировать данную функцию и найти предел ее логарифма.

Примеры.

1. .

2. .

3. .

4. 

5. 

Обозначим .

Прологарифмируем это равенство . Найдем.

Так как lny функция непрерывная, то . Следовательно,или.