Производная высшего порядка

Если функция y=f(x)y = f\left( x \right) имеет производную в каждой точке xx своей области определения, то ее производная f′(x)f'\left( x \right) есть функция от xx. Функция y=f′(x)y = f'\left( x \right), в свою очередь, может иметь производную, которую называют производной второго порядка функции y=f(x)y = f\left( x \right) (или второй производной) и обозначают символом f»(x)f»\left( x \right). Таким образом

f»(x)=d2ydx2=lim⁡x→x0f′(x)−f′(x0)x−x0=(f′(x))′f»\left( x \right) = \frac{{{d^2}y}}{{d{x^2}}} = \mathop {\lim }\limits_{x \to {x_0}} \frac{{f'\left( x \right) - f'\left( {{x_0}} \right)}}{{x - {x_0}}} = {\left( {f'\left( x \right)} \right)^\prime }

Производные более высоких порядков определяются аналогично. То есть производная nn-го порядка функции f(x)f\left( x \right) есть первая производная от производной n−1n-1-го порядка этой функции:

f(n)(x)=dnydxn=(f(n−1)(x))′{f^{\left( n \right)}}\left( x \right) = \frac{{{d^n}y}}{{d{x^n}}} = {\left( {{f^{\left( {n - 1} \right)}}\left( x \right)} \right)^\prime }

Число nn, указывающее порядок производной, заключается в скобки.

Вторая производная — это производная первой производной, f′′(x)=(f′(x))′f''(x) = (f'(x))', а производная nn-го порядка получается, если продифференцировать функцию nn раз подряд: f(n)=(f(n−1))′f^{(n)} = (f^{(n-1)})'. Верно и (f(n))(m)=f(n+m)(f^{(n)})^{(m)} = f^{(n+m)}. Обозначения: f′′f'', f(2)f^{(2)} или d2ydx2\frac{d^2 y}{dx^2}; начиная с четвёртой производной порядок пишут в скобках, f(4)f^{(4)}, чтобы не считать штрихи.

Если f(t)f(t) — пройденный путь, то f′f' — скорость, а f′′f'' — ускорение. У многочлена степени nn производная nn-го порядка постоянна, а все производные более высоких порядков равны нулю. Полезные формулы: (ekx)(n)=knekx(e^{kx})^{(n)} = k^ne^{kx} и (sin⁡x)(n)=sin⁡(x+nπ2)(\sin x)^{(n)} = \sin\left(x + \frac{n\pi}{2}\right). Частая ошибка — путать f′′f'' с (f′)2(f')^2: это квадрат первой производной, а не вторая производная.

48121610203040t (с)h (м)
4 с
Высота h
4,16 м
Скорость h′
1,92 м/с
Ускорение h″
0,36 м/с²
Наклон касательной — это скорость h′(t)h'(t). До десятой секунды наклон растёт, потому что h′′>0h'' > 0, а потом убывает, потому что h′′<0h'' < 0. Через 10 с скорость наибольшая, а ускорение обращается в нуль.

Вычисляя вторую и третью производные координаты по времени, инженеры находят ускорение и рывок (скорость изменения ускорения) лифтов, поездов и американских горок, потому что именно эти величины определяют, комфортна ли поездка.

Поездка на лифте

Лифт в высотном доме трогается с первого этажа и через 20 секунд останавливается на высоте 40 м. Высота кабины в метрах равна h(t)=0,3t2−0,01t3h(t) = 0{,}3t^2 - 0{,}01t^3, где 0≤t≤200 \le t \le 20. Найдите скорость и ускорение как производные, а также момент, когда скорость наибольшая, и её значение.

Решение

  1. Скорость — первая производная: v(t)=h′(t)=0,6t−0,03t2v(t) = h'(t) = 0{,}6t - 0{,}03t^2. Так как v(0)=0v(0) = 0 и v(20)=12−12=0v(20) = 12 - 12 = 0, в начале и в конце поездки кабина неподвижна.
  2. Ускорение — вторая производная: a(t)=h′′(t)=0,6−0,06ta(t) = h''(t) = 0{,}6 - 0{,}06t.
  3. Скорость наибольшая, когда a(t)=0a(t) = 0, т. е. при t=10t = 10 с. Тогда v(10)=6−3=3v(10) = 6 - 3 = 3 м/с, а высота h(10)=30−10=20h(10) = 30 - 10 = 20 м.
  4. Третья производная h′′′(t)=−0,06h'''(t) = -0{,}06 показывает, как быстро меняется ускорение. Инженеры ограничивают эту величину ради удобства пассажиров.

Ответ: v(t)=0,6t−0,03t2v(t) = 0{,}6t - 0{,}03t^2 и a(t)=0,6−0,06ta(t) = 0{,}6 - 0{,}06t; наибольшая скорость равна 3 м/с, она достигается через 10 с, на высоте 20 м.

Задача для тренировки

Для f(x)=x4−2x3+5xf(x) = x^4 - 2x^3 + 5x найдите f′′′(x)f'''(x), f′′′(1)f'''(1) и f(5)(x)f^{(5)}(x).

Показать решение

f′=4x3−6x2+5f' = 4x^3 - 6x^2 + 5, f′′=12x2−12xf'' = 12x^2 - 12x, f′′′=24x−12f''' = 24x - 12, поэтому f′′′(1)=12f'''(1) = 12. Далее f(4)=24f^{(4)} = 24 и f(5)=0f^{(5)} = 0.