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高数·强化·高阶导数的计算
时间:2024-12-23 16:11:26
答案

二阶以及二阶以上的导数,统称高阶导数。高阶导数的四大解法:

所谓[公式]阶四公式,即幂函数、指数函数、对数函数、三角函数最简单形式的 [公式]阶导数的值。

幂函数

[公式]

指数函数

[公式]

对数函数

[公式]

【注意】由[公式],有 [公式]

三角函数

[公式]

【注意】[公式]

但是通常,题目不会直接让我们求这四个函数,一般我们要求的,都是[公式]阶四公式形式的函数,比如说,求的是 [公式] ,[公式] , [公式]。

我们只要记住了形式简单的[公式] 阶四公式,就可以很快地推出 [公式] 阶四公式形式的函数。

[公式] 的 n 阶导数。(答案在文末,题号为 ①)

我们可以通过求导验证答案是否正确,例如对于 [公式] 的导数,我们可以计算出答案为 [公式]。

好,现在,停下来,休息一下,放松地思考一下,下面两个问题:

[公式] ,[公式] , [公式]

问题难度适中,相信你能思考出来。

接下来,我们使用 n 阶四公式形式的函数解决问题。

例题:已知函数 [公式] ,则 [公式] .

解:如果按原来的 [公式] 的形式一次次求导,感觉会有点复杂,尝试将其化成 n 阶四公式形式,即

[公式]

这样一来,对[公式] 求 n 阶导就相当于分别对 [公式] 和 [公式] 求 n 阶导然后相减。

根据 n 阶四公式中对数函数的 n 阶导数的值,我们可以快速推导出

[公式] ,所以

[公式] ,则有

[公式]

小结:问题解答完成,由此可见,对于一个复杂的函数,可以化成 多个n 阶四公式形式的函数,再利用 n 阶四公式,快速推导其出 n 阶导数的值,进而求得复杂函数的 n 阶导数的值。

接下来,我们尝试用上面的方法解决习题。

习题:已知函数 [公式] ,求 [公式] .(答案在文末,题号为②)

通过化简并使用 n 阶四公式法,我们可以找到解决此问题的关键步骤。

接下来,我们介绍莱布尼茨公式。

例题:已知函数 [公式],当 [公式] 时, [公式] .

解:看着像两个函数相乘的形式,并且 [公式] 在导数大于2后为0,所以可以考虑一下使用莱布尼茨公式。则有,

[公式]

因为[公式] ,

[公式] ,

[公式] ,

[公式] , [公式] .

所以[公式]

故[公式] .

小结:例题解答完成,通过观察我们可以发现,莱布尼茨公式解 n 阶导数适用于:

这样的函数。

当遇到这样的函数时,使用莱布尼茨公式。对于求其中需要求 n 阶导数的(本题中是 [公式] ),需要变形成 n 阶四公式形式(即方法一),然后利用 n 阶四公式推导进行解决。

此外,当要求的是[公式] 时,有的项其实并不需要计算。比如在本题中, [公式] 的前面两项是不需要计算的。

例题讲完了,你现在能解决下面这一道习题吗?

习题:函数 [公式] 在 [公式] 处的 [公式] 阶导数 [公式] .(答案在文末,题号为③)

使用莱布尼茨公式法,我们可以通过对给定函数的多项式形式进行分解来找到答案。

接下来,我们介绍泰勒公式化多项式。

例题:已知函数 [公式] ,则 [公式] .

解:使用前面两种方法似乎解决不了本题,尝试使用泰勒公式。

由麦克劳林公式,得

[公式]

取[公式] ,根据多项式求导的性质,由

展开式中[公式] 项的系数是 [公式]

小结:根据我个人的经验,利用莱布尼茨公式法和泰勒公式化多项式是考察比较多的,而且常常这两种方法是同一道题的两种解法。

之所以把变形成 n 阶四公式法放在第一个,是因为这种方法最基础的方法,并且在一些时候,这种方法也是后面这两种方法的基础,起到辅助解题的作用。

这次,请你尝试用泰勒公式化多项式法,解决一下,上面莱布尼茨公式法的习题吧。

习题:函数 [公式] 在 [公式] 处的 [公式] 阶导数 [公式] .(答案在文末,题号为④)

使用泰勒公式化多项式法,我们可以通过展开给定函数来找到答案。

最后,我们介绍观察规律法。

例题:已知函数 [公式] 在 [公式] 上连续,且 [公式] ,当 [公式] 时, [公式].

解:尝试按上面三种套路思考,发现似乎都行不通,于是尝试使用观察规律法。

观察、思考,不难想到[公式] 在导数等于 3 后会变成 0。于是尝试对 [公式] 求前 3 次导数。

[公式] ,

[公式] ,

[公式] ,则

[公式]

而[公式] , [公式] , [公式]

因此[公式]

小结:观察规律法,通常是尝试求前几阶导数,然后进行观察,总结导数可能存在的规律。而且有时后,在求解前一二阶导数后,便可以使用前面的三种方法解决了。

习题:已知函数 [公式] ,求 [公式] .

使用观察规律法,我们可以通过求解前几阶导数来找到答案。

答案

①[公式]

②[公式]

③[公式]

④[公式] 。注意化 [公式] ,然后再泰勒展开。

⑤[公式]

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