Методы решения физико-математических задач

Примеры как найти производные второго и высших порядков

Рассмотренные примеры производных высших порядков
Приводится список применяемых правил для нахождения производных высших порядков. Указаны методы, сокращающие вычисления. Рассмотрены примеры вычисления производных высших порядков явных функций.
()( \newcommand{\tg}{\mathop{\mathrm{tg}}\nolimits} )() ()( \newcommand{\arctg}{\mathop{\mathrm{arctg}}\nolimits} )() ()( \newcommand{\Re}{\mathop{\mathrm{Re}}\nolimits} )() ()( \newcommand{\Im}{\mathop{\mathrm{Im}}\nolimits} )()

Применяемые правила и методы

Основные формулы, применяемые для вычисления высших производных
Основные формулы, применяемые для вычисления высших производных.

Чтобы найти производные высших порядков произвольной функции, нужно применить одно или несколько следующих правил и теорем: теорему производной суммы функций, произведения (формула Лейбница), формулы производных высших порядков элементарных функций. Эти правила изложены на странице
Производные второго и высших порядков – основные формулы, определения и теоремы

Кроме этого применяют некоторые приемы, позволяющие упростить вычисления. Это преобразование к неявной функции и использование комплексных чисел.

Преобразование к неявной функции применяют, чтобы дифференцировать более простое выражение. Вот несколько примеров.
При нахождении производных от y = √ 1 + x 2 , можно избавиться от корня, если возвести это равенство в квадрат: y 2 = 1 + x 2,  y > 0, и далее находить производные от более простой неявной зависимости (пример 3).
Функцию y =e tg 3x удобно прологарифмировать: ln y = tg 3x (пример 1).
Дробь y = ln xx можно умножить на знаменатель: xy = ln x, и дифференцировать произведение, а не частное (пример 2).

Использование комплексных чисел может быть полезным при дифференцировании некоторых функций, в состав которых входит синус и косинус. Суть метода заключается в том, что вместо исходной функции y =  f (x) вводят комплексную:
z =  f (x) + ig(x).
Дифференцируя n раз, получим:
z (n) =  f  (n) (x) + ig (n) (x).
Отсюда n-я производная исходной функции  f (x) равна действительной части производной n-го порядка комплексной функции z(x):
 f  (n) (x) = Re z (n).
Например, e ix = cos x + i sin x. Дифференцируя n раз имеем:
(e ix) (n) = i n e ix = (cos x) (n) + i(sin x) (n).
Учитывая, что i n e ix = (e iπ / 2) n e ix = e inπ / 2 e ix = e i(x + nπ / 2) = cos(x + nπ / 2) + i sin(x + nπ / 2),
получаем известные формулы производных синуса и косинуса:
(cos x) (n) = Re[ (e ix) (n) ] = cos(x + nπ / 2);
(sin x) (n) = Im[ ((e ix) (n) ] = sin(x + nπ / 2).

Примеры с решениями

Все примеры

Здесь мы рассмотрим следующие примеры вычислений производных высших порядков.
Найти y′, y′′ от функции y =e tg 3x y′′′ – ?
y = 12 ln 2 x
y′′′ – ?
y = √ 1 + x 2 
yVI – ?
y = (3x + 5) 2 (2x 2 + 3)(x + 7) 2
Найти n-ю производную,
y = x 2 sin x
y (n) – ?
y = e ax cos bx

Пример 1

Все примеры

Найти производные первого и второго порядка следующей функции:
(П1.1)   y =e tg 3x.

Решение преобразованием к неявной функции

Можно последовательно дифференцировать заданную функцию. Этот способ рассмотрен ниже. Но мы сделаем преобразование, чтобы находить производные от более простых выражений. Логарифмируя (П1.1), получаем неявную зависимость y от x:
(П1.1.1)   ln y = tg 3x.
Дифференцируем по переменной x:
(П1.1.2)   (ln y) ′ = (tg 3x) ′.

Находим производные в (П1.1.2), вводя переменную t = 3x, и применяя правило дифференцирования составной функции.
(ln y) ′ = d ln ydx = d ln ydy ⋅ dydx = 1y ⋅ y ′;
(ln y) ′ = y ′y;
(tg 3x) ′ = d tg 3xdx = d tg tdt ⋅ dtdx = 1(cos t) 2 ⋅ d3xdx = 1(cos 3x) 2 ⋅ 3;
(tg 3x) ′ = 3(cos 3x) 2.
Подставляем в (П1.1.2):
(П1.1.3)   y ′y = 3(cos 3x) 2.
Используя (П1.1), получаем первую производную:
y ′ = 3y(cos 3x) 2 = 3e tg 3x(cos 3x) 2;
(П1.1.4)   y ′ = 3e tg 3x(cos 3x) 2.

Чтобы проще находить вторую производную, преобразуем уравнение (П1.1.3), умножив его на y(cos 3x) 2, и дифференцируем по x:
y ′(cos 3x) 2 = 3y;
(П1.1.5)   (y ′(cos 3x) 2) ′ = 3y ′.
Находим производную левой части, применяя правила дифференцирования произведения и сложной функции, вводя переменные t = 3x,  u = cos t.
((cos 3x) 2) ′ = d(cos 3x) 2dx = d(cos t) 2dt ⋅ dtdx = du 2du ⋅ dudt ⋅ dtdx = du 2du ⋅ d cos tdt ⋅ d3xdx =
 2u ⋅ (–sin t) ⋅ 3 = 2 cos 3x ⋅ (–sin 3x) ⋅ 3 = –3 ⋅ 2 cos 3x ⋅ sin 3x = –3 sin 6x;
((cos 3x) 2) ′ = –3 sin 6x;
(y ′ ⋅ (cos 3x) 2) ′ = y ′′ ⋅ (cos 3x) 2 + y ′ ⋅ ((cos 3x) 2) ′ = y ′′(cos 3x) 2 – 3y ′ sin 6x;
(y ′(cos 3x) 2) ′ = y ′′(cos 3x) 2 – 3y ′ sin 6x.
Подставляем в (П1.1.5), и используем (П1.1.4):
y ′′(cos 3x) 2 – 3y ′ sin 6x = 3y ′;
y ′′ = 3y ′ 1 + sin 6x(cos 3x) 2 = 3 3e tg 3x(cos 3x) 2 ⋅ 1 + sin 6x(cos 3x) 2;
y ′′ = 9 1 + sin 6xcos 4 3x ⋅e tg 3x.

Ответ

y ′ = 3 e tg 3xcos 2 3x;
y ′′ = 9 1 + sin 6xcos 4 3x ⋅e tg 3x.

Решение стандартным способом

Находим производную первого порядка. Выносим постоянную за знак производной и применяем формулу  ( x n ) ′ = nx n – 1  из таблицы производных:
(3x) ′ = 3(x) ′ = 3(x 1) ′ = 3 ⋅ 1 ⋅ x 1 – 1 = 3x 0 = 3.
Применяем правило дифференцирования сложной функции:
(tg 3x) ′ = (tg t) ′x = (tg t) ′t ⋅ t ′x = 1cos 2 t ⋅ (3x) ′ = 1cos 2 3x ⋅ 3 = 3cos 2 3x.
Здесь  t = 3x.
Применяем правило дифференцирования сложной функции и используем найденные производные:
y ′ = ( e tg 3x ) ′ = ( e v ) ′x = ( e v ) ′v ⋅ v ′x =e v ⋅ (tg 3x) ′ = e tg 3x ⋅ 3cos 2 3x = 3e tg 3xcos 2 3x.
Здесь  v = tg 3x.

Итак, мы нашли производную первого порядка:
y ′ = 3e tg 3xcos 2 3x.
Чтобы найти производную второго порядка, нам нужно найти производную от первой производной, то есть от функции
y ′(x) = 3e tg 3xcos 2 3x.
Чтобы не путаться с обозначениями, обозначим эту функцию буквой  z:
(П1.2.1)   z(x) = 3e tg 3xcos 2 3x.
Тогда производная второго порядка от исходной функции  y  является производной от  z(x):
y ′′ = z ′(x).

Дифференцируем  z(x). Это проще сделать с помощью логарифмической производной. Логарифмируем (П1.2.1):
ln z(x) = ln 3 + tg 3x – 2 ln | cos 3x | .
Теперь дифференцируем:
(П1.2.2)   (ln z(x)) ′ = (ln 3) ′ + (tg 3x) ′ – 2(ln | cos 3x | ) ′.
Но  ln 3 – это постоянная. Ее производная равна нулю. Производную от  tg 3x  мы уже нашли. Находим оставшуюся производную по правилу дифференцирования сложной функции, вводя переменные t = 3x,  w = cos 3x.
(ln | z(x) | ) ′ = (ln | z | ) ′x = (ln | z | ) ′z ⋅ z ′x = 1z ⋅ z ′(x) = z ′(x)z;
(cos 3x) ′ = (cos t) ′x = (cos t) ′t ⋅ t ′x = –sin t ⋅ (3x) ′ = –sin 3x ⋅ 3 = –3 sin 3x;
(ln | cos 3x | ) ′ = (ln | w | ) ′x = (ln | w | ) ′w ⋅ w ′x = 1w ⋅ (cos 3x) ′ = 1cos 3x ⋅ (–3 sin 3x) = –3 tg 3x.
Подставляем в (П1.2.2):
z ′(x)z = 0 + 3cos 2 3x + 6 tg 3x = 3cos 2 3x + 6 sin 3xcos 3x = 3 1 + 2 sin 3x cos 3xcos 2 3x =
 3 1 + sin 6xcos 2 3x.
Отсюда
z ′(x) = z ⋅ 3 1 + sin 6xcos 2 3x = 3 3e tg 3xcos 2 3x ⋅ 1 + sin 6xcos 2 3x = 9 1 + sin 6xcos 4 3x ⋅e tg 3x.

Ответ

y ′ = 3 e tg 3xcos 2 3x;
y ′′ = 9 1 + sin 6xcos 4 3x ⋅e tg 3x.

Пример 2

Все примеры

Найти производную третьего порядка:
y = 12 ln 2 x.

Решение

Находим производную первого порядка. Для этого выносим постоянную  12  за знак производной, используем таблицу производных и применяем правило нахождения производной сложной функции.
y ′ = 12 ( ln 2 x ) ′ ≡ 12 ( (ln x) 2 ) ′ = 12 ( u 2 ) ′x = 12 ( u 2 ) ′u ⋅ u ′x = 12 2u ⋅ (ln x) ′ =
 ln x ⋅ 1x = ln xx.
Здесь  u = ln x.
Итак, мы нашли производную первого порядка:
(П2.1)   y ′ = ln xx.

Находим производную второго порядка. Для этого находим производную от  y ′. Применяем формулу производной дроби.
y ′′ = (y ′) ′ = ( ln xx ) ′ = (ln x) ′ ⋅ x – ln x ⋅ (x) ′x 2 = 1x ⋅ x – ln x ⋅ 1x 2 = 1 – ln xx 2.
Производная второго порядка:
y ′′ = 1 – ln xx 2.

Теперь находим искомую производную третьего порядка. Для этого дифференцируем  y ′′.
( x 2 ) ′ = 2x 2 – 1 = 2x 1 = 2x;
(1 – ln x) ′ = (1) ′ – (ln x) ′ = 0 – 1x = – 1x;
y ′′′ = ( y ′′ ) ′ = ( 1 – ln xx 2 ) ′ = (1 – ln x) ′ ⋅ x 2 – (1 – ln x) ⋅ (x 2) ′( x 2 ) 2 =
 – 1x ⋅ x 2 – (1 – ln x) ⋅ 2xx 2 ⋅ 2 = –x – 2x(1 – ln x)x 4 = 2 ln x – 3x 3.

Можно сделать по другому, избавившись от дробей. Умножим (П2.1) на x:
(П2.2)   xy ′ = ln x.
Дифференцируем.
(x ⋅ y ′) ′ = (ln x) ′;
(x) ′y ′ + xy ′′ = y ′ + xy ′′ = 1x.
Снова умножаем на x, и находим производную.
(П2.3)   xy ′ + x 2 y ′′ = 1;
(xy ′) ′ + (x 2 y ′′) ′ = (1) ′;
y ′ + xy ′′ + 2xy ′′ + x 2 y ′′′ = 0.
y ′ + 3xy ′′ + x 2 y ′′′ = 0.
Умножаем на x и применяем (П2.2) и (П2.3)
xy ′ + 3x 2 y ′′ + x 3 y ′′′ = xy ′ + 3(1 – xy ′) + x 3 y ′′′ = ln x + 3(1 – ln x) + x 3 y ′′′ =
 3 – 2 ln x + x 3 y ′′′ = 0.
Отсюда
y ′′′ = 2 ln x – 3x 3.

Ответ

Производная третьего порядка равна
y ′′′ = 2 ln x – 3x 3.

Пример 3

Все примеры

Найти производную третьего порядка от функции
(П3.1)   y = √ 1 + x 2 .

Решение

Чтобы избавиться от корня, возводим (П3.1) в квадрат.
y 2 = 1 + x 2,  y > 0.
Дифференцируем три раза, попутно выполняя преобразования.
(y 2) ′ = (1 + x 2) ′;
2yy ′ = 2x;
(П3.2)   yy ′ = x;
(yy ′) ′ = (x) ′;
y ′y ′ + yy ′′ = 1;
(П3.3)   yy ′′ = 1 – (y ′) 2;
(yy ′′) ′ = (1 – (y ′) 2) ′;
y ′y ′′ + yy ′′′ = 0 – 2y ′y ′′;
yy ′′′ = –3y ′y ′′.
Умножим на y 4, и применим (П3.2) и (П3.3).
y 5 y ′′′ = –3yy ′ ⋅ y 2 ⋅ yy ′′ = –3x ⋅ y 2 ⋅ (1 – (y ′) 2) = –3x ⋅ (y 2 – (yy ′) 2) =
 –3x ⋅ (y 2 – x 2) = –3x ⋅ (1 + x 2 – x 2) = –3x;
y ′′′ = – 3xy 5 = – 3x(1 + x 2) 5 / 2.

Ответ

Производная третьего порядка равна
y ′′′ = – 3x(1 + x 2) 5 / 2.

Пример 4

Все примеры

Найти производную шестого порядка следующей функции:
y = (3x + 5) 2 (2x 2 + 3)(x + 7) 2.

Решение

Если раскрыть скобки, то будет ясно, что исходная функция является многочленом степени  2 + 2 + 2 = 6. Запишем ее в виде многочлена:
y = c6 x 6 + c5 x 5 + c4 x 4 + c3 x 3 + c2 x 2 + c1 x + c0,
где  c0, c1, c2, ... c6  – постоянные коэффициенты.

Далее применим формулу n-й производной степенной функции:
( x m ) (n) = m (m – 1) ...   (m – n + 1) x m – n.
Для производной шестого порядка (n = 6) имеем:
( x m ) (6) = m (m – 1) (m – 2)  (m – 3) (m – 4) (m – 5) x m – 6.
Отсюда видно, что  ( x m ) (6) = 0  при  m ≤ 5. При  m = 6 имеем:
( x 6 ) (6) = 6 (6 – 1) (6 – 2) (6 – 3)  (6 – 4) (6 – 5) x 6 – 6 = 6 ⋅ 5 ⋅ 4 ⋅ 3 ⋅ 2 ⋅ 1 ⋅ x 0 = 6!.

Используем формулу производной суммы функций:
y (6) = c6 ( x 6 ) (6) + c5 ( x 5 ) (6) + c4 ( x 4 ) (6) + c3 ( x 3 ) (6) + c2 ( x 2 ) (6) + c1 ( x ) (6) +
 ( c0 ) (6) = c6 ⋅ 6! + 0 + 0 + 0 + 0 + 0 + 0 = c6 ⋅ 6!.
Таким образом, чтобы найти производную шестого порядка исходной функции, нам надо найти только коэффициент многочлена при старшей степени  x 6. Находим его, перемножая старшие степени в произведениях сумм исходной функции:
y = (3x + 5) 2 (2x 2 + 3)(x + 7) 2 = (3x + 0) 2 (2x 2 + 0)(x + 0) 2+ ... =
 9x 2 ⋅ 2x 2 ⋅ x 2+ ... =18x 6+ ... .
Отсюда  c6 = 18. Тогда
y (6) = c6 ⋅ 6! = 18 ⋅ 6! = 12960.

Ответ

y (6) = 18 ⋅ 6! = 12960.

Пример 5

Все примеры

Найти n-ю производную функции
y = x 2 sin x.

Решение

Пример 6

Все примеры

Найти n-ю производную следующей функции:
y = e ax cos bx,
где a и b – постоянные.

Решение

В этом примере вычисления удобно выполнять с использованием комплексных чисел. Пусть мы имеем некоторую комплексную функцию
z(x) = u(x) + iv(x),
где  u(x)  и  v(x)  – функции от действительной переменной x;
i – мнимая единица,  i 2 = –1.
Дифференцируя n раз, имеем:
z (n) (x) = u (n) (x) + iv (n) (x).
Иногда проще найти n-ю производную от функции z(x). Тогда n-е производные функций  u(x)  и  v(x)  определяются как действительная и мнимая части от n-й производной z (n) (x):
u (n) (x) = Re z (n) (x);
v (n) (x) = Im z (n) (x).

Применим этот прием для решения нашего примера. Рассмотрим функцию
z(x) = e ax cos bx + ie ax sin bx = e ax (cos bx + i sin bx ) = e ax e ibx = e (a + ib)x = e βx.
Здесь мы применили формулу Эйлера
e iφ = cos φ + i sin φ,
и ввели обозначение
β = a + ib.
Тогда n-я производная исходной функции определяется по формуле:
y (n) = Re z (n).

Найдем n-ю производную функции
z(x) = e βx.
Для этого применим формулу:
( a x ) (n) = a x  ln n a.
В нашем случае
z(x) = ( e β ) x.
Тогда
z (n) (x) = ( ( e β ) x ) (n) = ( e β ) x  ( ln e β ) n = e βx  ( β ln e ) n = β n e βx.

Итак, мы нашли n-ю производную комплексной функции  z(x):
z (n) (x) = β n e βx,
где  β = a + ib.
Найдем действительную часть функции  z (n) (x).
Для этого представим комплексное число  β в показательной форме:
β = a + ib = ρe iφ,
где  ρ = √ a 2 + b 2 ;
sin φ = b√ a 2 + b 2 ;   cos φ = a√ a 2 + b 2 .
Тогда
β n = ( ρe iφ ) n = ρ n e inφ;
z (n) (x) = β n e βx = ρ n e inφ e (a + ib)x = ρ n e ax e i(bx + nφ) =
 ρ n e ax (cos(bx + nφ) + i sin(bx + nφ)).

Решение примера
y (n) = Re z (n) = ρ n e ax cos(bx + nφ) = ( a 2 + b 2 ) n / 2 e ax cos(bx + nφ).

Пусть a > 0, b > 0.
Тогда φ = arctg ba;
y (n) = ( a 2 + b 2 ) n / 2 e ax cos( bx + n arctg ba  ).
При a → 0,
y(x) = e ax cos bx → cos bx,
ρ = √ a 2 + b 2  → b,
φ = arctg ba → arctg(+∞) = π2.
И мы получаем формулу n-й производной косинуса:
y (n) = b n cos(bx + nπ / 2).

Ответ

y (n) = ( a 2 + b 2 ) n / 2 e ax cos(bx + nφ),
где
sin φ = b√ a 2 + b 2 ;   cos φ = a√ a 2 + b 2 .

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

▲
Меню