高等院校非数学类本科数学课程
—— 一元微积分学大 学 数 学 ( 一 )
第十七讲 高阶导数脚本编写、教案制作:刘楚中 彭亚新 邓爱珍 刘开宇 孟益民第四章 一元函数的导数与微分本章学习要求:
理解导数和微分的概念。熟悉导数的几何意义以及函数的可导、可微、连续之间的关系。
熟悉一阶微分形式不变性。
熟悉导数和微分的运算法则,能熟练运用求导的基本公式、
复合函数求导法、隐函数求导法、反函数求导法、参数方程求导法、取对数求导法等方法求出函数的一、二阶导数和微分。
了解 n 阶导数的概念,会求常见函数的 n 阶导数。
熟悉罗尔中值定理、拉格朗日中值定理、柯西中值定理和泰勒中值定理,并能较好运用上述定理解决有关问题(函数方程求解、不等式的证明等)。
掌握罗必塔法则并能熟练运用它计算有关的不定式极限。
第三节 高阶导数第四章 一元函数的导数与微分一,高阶导数的概念二,高阶导数的运算法则三,隐函数及参数方程确定的函数的高阶导数一,高阶导数的概念
,c o s)( s in xx例,s i n)( c o s x
,si n 连续求两次导数的结果是 x
,s i n 记为的二阶导数称为函数 x
xxxx s i n)( c o s))( ( s i n)( s i n
)( )(,仍然的导函数如果函数一般说来 xfxf?
的二的导数为原来函数则称可导 )( )(,xfxf?
,))(()(, xfxf记为阶导数推而广之,
,,1 )( 的函数它仍是阶导数存在的设 xnxf?
,,阶导数数的则称它的导数为原来函若它可导 n
,阶导数的记号为n
,dd,d )(d,),( )()( n
n
n
n
nn
x
y
x
xfyxf
,))(()( )1()( xfxf nn
,d )(dd dd )(d 1
1
n
n
n
n
x
xf
xx
xf,
d
d
d
d
d
d
1
1
n
n
n
n
x
y
xx
y
,)( )1()(nn yy
按照一阶导数的极限形式,有
x
xfxxfxfy nn
x
nn


)()(lim)( )1()1(
0
)()(
0
0
)1()1(
0
)()( )()(l i m)(
00 xx
xfxfxfy nn
xx
n
xx
n


和一个函数的导函数不一定再可导,也不一定连续,如果函数 f ( x) 在区间 I 上 有直到 n 阶的导数
f (n)(x),且 f (n)( x) 仍是连续的 (此时低于 n 阶的导数均连续 ),则称 f (x) 在区间 I 上 n 阶连续可导,
记为,)( )I()( nn CxfCxf 或如果 f (x) 在区间 I 上的任意阶的高阶导数均存在且连续,则称函数 f (x) 是无穷次连续可导的,记为
.)( )I()( CxfCxf 或
1)( nn xnxy
21 )1()()( nn xnnxnyy
3)2()1()( nxnnnyy
…………………………
knkk xknnnnyy )1()2()1()( )1()(?
.,的高阶导数求幂函数 Znxy n
)1( nk
解例 1
注意,当 k = n 时
!123)2()1()( )( nnnnx nn
综上所述:
,0)(,1,)( knxnk 时当从而
knkn xknnnx )1()1()( )(? )1( nk
0)( )(?knx )1( nk
)()( ))(( knk baxy
,)( 的高阶导数求 nbaxy
,1 时当 nk
kkn abaxknnn))(1()1(?
,1 时当 nk
0 )(?ky
解例 2
多项式的高阶导数,
nnnnn axaxaxaxP 1110)(?
23120 2)2)(1()1('' nnn axnnaxnnay?
………………
!0)( nay n
0)2()1(nn yy

12110 )1(' nnn axnanxay?
例 3
对 多项式而言,
每求一次导数,多项式的次数降低一次 ;
n 次多项式的 n 阶导数为一常数 ;
大于多项式次数的任何阶数的导数均为 0,
求 y = ex 的各阶导数,

xey
y = ex 的任何阶导数仍为 ex
xnx ee?)()( )( Nn?
xx eeyy )()(

xn ey?)(

例 4
求 y = ax 的各阶导数,
解 aay x ln'?
运用数学归纳法可得
)( )( l n)( )( Znaaa nxnx
2)( l n)ln()('' aaaayy xx

kxk aay )( l n)(?
例 5
求 y = lnx 的各阶导数,

11 x
xy
2122 )1()1( xxy
3)2)(1( xy
111 !)11()1( x
212 !)12()1( x
313 !)13()1( x
设 kkk xky !)1()1( 1)(
例 6
11)1( )()!1()1( kkk xkky
)1(1)1( !]1)1[()1( kk xk
)( )!1()1()( l n 1)( Nnxnxy nnnn
类似地,有
)(
)()!1()1())( ln ( 1)(
Nn
baxanbax nnnn

则故由数学归纳法得
,1 的高阶导数求 xy?

)( ln1 x
x
y?
)1()()( )( l n))( ( l n nnn xxy
)1(1)1( !]1)1[()1( nn xn
)1(!)1( nn xn
注意这里的方法
)( )!1()1()( l n 1)()( Nnxnxy nnnn
例 7
即 )( !)1(1 )1(
)(
Nnxn
x
nn
n



类似地,有
)1(
)(
)(!)1(1

nnn
n
baxan
bax

xy c o s
xy s in
xy c o s
xy s in)4(?
,c o s,s i n 的各阶导数求 xyxy
xy sin?
看出结论没有

)24s i n ( x
)23s i n ( x
)22s i n ( x
)21s i n ( x
例 8
运用数学归纳法可以证得
)( )2s i n ()( s i n )( Znnxx n?
类似地,可求得
)( )2co s ()co s( )( Znnxx n?

x
x
sin
co s?
)( c o tdd
d
d
2
2
xx
x
y?
x2c s c
.
d
d,s inln
2
2
x
yxy 求?
)s i n( l n
d
d
d
d x
xx
y?
xcot?
例 9
)s i n(co s s i n2s i n xexey xx
)s i n( co s 2s i n xxe x
.,s i n yey x 求解
xey x c o ss i n
二阶导数经常遇到,一定要掌握,
例 10
2)(
d
)(d
y
y
y

.)0,( dd,1dd 32
2
yyyyy xyyx 导出试从解由复合函数及反函数的求导法则,得
)()( 1
d
d
d
d
d
d
d
d
2
2
yyy
x
yy
x

2)(
d
d
d
)(d
y
y
x
x
y

3)( y
y

y?
1
例 11
,dd,2
2
的导数对是的导数对是与 yxy xxyyy
解例 12
).(
),()(,)(
)(
2
xf
xfxfxf
n求且满足有任意阶导数设
,)()( 2 得求导两边关于对等式 xxfxf
),(2)()(2)( 3 xfxfxfxf
),(32)()(32)( 42 xfxfxfxf
),(! )( 1)( 则有设 xfkxf kk
)()()1( ! )()1( xfxfkkxf kk
,))((! )1()(! )1( 1)1(2 kk xfkxfk
由数学归纳法得
)(! )( 1)( xfnxf nn
二,高阶导数的运算法则设 f (x),g(x) 有直到 n 阶的导数,则
(1)
(2) 莱布尼兹公式
)()())()(( )()()( xgxfxgxf nnn
)()())()(( )()(
0
)( xgxfCxgxf kkn
n
k
k
n
n?

,!)(! !,knk nC kn其中两个基本公式
,
65
1
d
d
2100
100

xxx
求由于 )3)(2( 1
65
1
2 xxxx,3
1
2
1
xx






3
1
d
d
2
1
d
d
65
1
d
d
1 0 0
1 0 0
1 0 0
1 0 0
21 0 0
1 0 0
xxxxxxx


101101
)3(
1
)2(
1!100
xx
101100101100 )3(!1 0 0)1()2(!1 0 0)1( xx
解例 13
)1( )(1 ! )1()( nnn xnx

.,s i n )80(2 yxxy 求设?
由莱布尼兹公式
)80(2)80( )s i n( xxy?
)( 280s i n2080 xxC
xxxxx s i n6320c o s160s i n2
)( 278s in2280 xC
)2s i n ()( s i n )( nxx n )3( 0)(,2)(,2)( )(2
22


nx
xxx
n
)( 279s i n)2(180 xxC
例 14
.0)()()12()( )1( )(2)1()2(2 xfnxfxnxfx nnn

2
1
1)(
x
xf

0)()()1( 2 xfxxfx
)(
11)1(
)( 2
22
xf
x
x
xx
xxf?


满足下式证明 a r c s i n)( xxf?
看出一点什么没有?
你打算怎么处理此式?
例 15
对上式关于 x 求导 n 次:
)1(21)(20 ))(()1())()(1( nnnn xfxCxfxC

)()2(!2 )1()()2()()1( )()1()2(2 xfnnxfxnxfx nnn

0)()()12()1( )(2)1()2(2 xfnxfxnfx nnn
)2(22 ))(()1( nn xfxC
0))(()( )1(1nn xfxC
0)(1)( )()1( xfnxfx nn
)(0 ))(( nn xfxC
三,隐函数及参数方程确定的函数的高阶导数原则是,
按照高阶导数的定义,运用隐函数及参数方程所确定的函数的求导法则逐阶进行求导,
.
d
d,4
2
2
22
x
yyyxx 求设
对方程两边关于 x 求导,
022 yyyxyx
yx
yxy
2
2
故解想想如何求二阶导数?
例 16


yx
yx
x
y
2
2
d
d
2
2
从而
33
22
)2(
24
)2(
)(6
yxyx
yyxx


2)2(
)(3
yx
yxy

2)2(
)21)(2()2)(2(
yx
yyxyxy

2)2(
2
2
3
yx
yx
yx
xy




.,yexy yx 求对方程两边关于 x 求导,得,
对该方程两边关于 x 求导,
yeyeyxyy yxyx 2)1(
yx
yx
ex
yyey
2)1( 2
.yx
yx
ex
yey


)1( yeyxy yx
从而其中,
例 17
.dd,)(t a n 2
2
x
yyxy 求设
方程两边对 x 求导
)1()(s e c 2 yyxy
)(s e c1
)(s e c
d
d
2
2
yx
yx
x
y


)(s in
1
2 yx
)(cs c 2 yx
解例 18


x
y
xx
y
d
d
d
d
d
d
2
2
)(co t)(cs c2 32 yxyx
)1()(co t)cs c()cs c(2 yyxyxyx
)c s c ()c s c (2 yxyx
)(cs cdd 2 yxx故
)(c s c 2 yxy
.
d
d
,
a r c t a n
)1ln (
3
3
2
x
y
tty
tx
求设





)1ln (
)a r c t a n(
d
d
2t
tt
x
y

)1l n (
2
d
d
2
2
2
t
t
x
y
2
1
2
1
1
1
2
2 t
t
t
t?
t
t
t
t 4
1
1
2
2
1
2
2
例 19




)1l n (
4
1
d
d
2
2
3
3
t
t
t
x
y
3
4
2
2
22
8
1
1
2
4
12
t
t
t
t
t
tt

参数方程求导并不难啊 !
.
d
d,
)s in1(
)s in(
2
2
x
y
tay
ttax
求设



))s in((
))c o s1((
d
d


tta
ta
x
y
2cot
t? t
t
co s1
sin

))s i n((
2
c o t
d
d )(
2
2

tta
t
x
y )c o s1(
1
2s i n2
1
2 tat?

),2 ( Zkkt2
)c o s1(
1
ta
例 20
.
d
d,)(,)(,
)(
)(
2
2
x
ytytx
tyy
txx
求均有二阶导数已知

)(
)(
d
d
tx
ty
x
y

t
x
x
y
t
x
y
d
d
d
d
d
d
d
d
2
2?
)(
)(
)(
tx
tx
ty


)(
))((
)()()()(
2
tx
tx
txtytxty

3))((
)()()()(
tx
txtytxty

例 21
例 22 )( 是由方程组设 xyy?


01s i n
03 2 3 2
yte
xtt
y
,0 dd,2
2
tx
y求所确定的隐函数解 3,,03 3 3 0 2 及得由txxtt
,2 6 dd ttx
1,01s i n 0 及得由ty yyte
,2 co s s i n1 co s dd y tete tety
y
y
y

,)2 6)(2( co s dd dd dd ty tetx tyxy
y






2 6
c o s
2d
d
d
d
d
d
d
d
2
2
t
t
y
e
xx
y
xx
y y从而


2 6
c o s
d
d
22d
d
2 6
c o s
t
t
xy
e
y
e
xt
t yy
32 )2 6)(2(
]co s6s i n)2 6[(
d
d
)2)(2 (6
co s)3(




ty
ttte
x
y
yt
tey yy
.4 )32( 0 dd,1,3,0 2
2?
eetx yyxt 得代入
2 是
,2 6 c o sd dt tx计算
x
t
t
t
tt
t
x d
d
2 6
c o s
d
d
2 6
c o s
d
d



1
d
d
2 6
co s
d
d



t
x
t
t
t
2 6
1
)2 6(
c o s6s i n)2 6(
2

tt
ttt
,)2 6( c o s6s i n)2 6( 3 t ttt
2 6 dd ttx