Производные и дифференциалы высших порядков. Определение: Если ф-ция f диф-ма в некоторой окрестности точки xO, то ф-ция f’(x):x®f’(x) в свою очередь может оказаться диф-мой в точке xO или даже в

Определение: Если ф-ция f диф-ма в некоторой окрестности точки x_O, то ф-ция f’(x):x®f’(x) в свою очередь может оказаться диф-мой в точке x_O или даже в некоторой ее окрестности. Производная ф-ции f’(x) - называется второй производной (или производной порядка 2) ф-ции f в точке x_O и обознача ется f”(x). Аналогично определяется третья и четвертая производная и так далее. Для единообразия обозначаем через f^N(x_O) - производную порядка n функции f в точке x_O и при n=0 считаем f⁰(x_O)=f(x_O).

Замечание: Cуществование производной порядка n требует того чтобы существовала производная пордка (n-1) уже в некоторой окрестности точки x_O (следует из теоремы о связи диф-ти и непрерывности), в таком случае функция x®f^N-1(x) непрерывна в точке x_O, а при n³2 все производные порядка не выше (n-2) непрерывны в некоторой окрестности точки x_O.

Определение: Дифференциалом ф-ции f порядка n в точке x_O называют функцию dх®f^N(x)*dх и обозначают d^Nf(x). Таким образом d^Nf(x):dх®f^N(x)dx^N.

Так как f^N(x)dх^N:dх®f^N(x)dx^N, то d^Nf(x)=f^N(x)dхN. В силу этого соотношения производную f^N(x) обозначают также d^Nf(x)/dх^N

Инвариантность:

Пусть функции у=f(х) и х=g(t) таковы, что из них можно составить сложную функцию у=f(g(t)). Если существуют производные у’(х) и х’(t) то cуществует производная у’(t)=у’(х)*х’(t). Если х считать независимой переменной, то диф-ал dy=y’(х)dx. Перейдем к независимой переменной t, учитывая что у’(t)=у’(х)*х’(t): dy=y’(t)dt=y’(x)*х’(t)dt. x’(t)dt=dх => dy=y’(t)dt=у’(х)*х’(t)*dt=у’(x)dх - видим что при переходе к новой независимой переменной форма дифференциала может быть сохранена - это свойство называют инвариантностью формы первого дифференциала.

Пусть функции у=f(х) и х=g(t) таковы, что из них можно составить сложную функцию у=f(g(t)) Если существуют производные у’(х) и х’(t) то существует производная у’(t)=у’(х)*х’(t) и по доказанному ее первый диф-ал по t можно написать в форме dy=y’(х)dх, где dх=x’(t)dt. Вычисляем второй диф-ал по t: d²y=d(y’(x)dx)=dy’(x)dx+y’(x)d(dx). Снова пользуясь инвариантностью первого диф-ла dy’(x)=у”(х²)dx => d²y=у”(х²)dx²x+y’(x)*d²x, в то время как при независимой переменной х второй диф-ал имел вид д²y=у’(х²)*dx²x => неинвариантность формы второго диф-ла.

Формула Лейбница:

f(x)=u(x)*v(x)

Доказательство по индукции.

1) n=0 верно

2) Предположим для n - верно => докажем для (n+1)

Если для u и v $(n+1) производные, то можно еще раз продифференцировать по х - получим:

Объединим теперь слагаемые обеих последних сумм, содержащие одинаковые произведения производных функций u и v (сумма порядков производ ных в таком произведении, как легко видеть, равна всегда (n+1)). Произведение u⁰*v^N+1 входит только во вторую сумму с коэффициентом С⁰_N=1. Произведение u^N+1*v⁰ входит только в первую сумму с коэффициентом С^N_N=1. Все остальные произведения входящие в эти суммы имеют вид u^K*v^N+1-K. Каждое такое произведение встречается в первой сумме с номером k = i-1, а во второй i=k. Сумма соотв. коэффициентов будет =>

по 42.Локальный экстремум. Теорема Ферма и ее приложение к нахождению наибольших и наименьших значений.

Определение: Пусть задан промежуток I=(a;b), точка x₀Î(a;b). Точка x₀, называется точкой локалниого min(max), если для всех xÎ(a;b), выполняется

f(x₀)<f(x) (f(x₀)>f(x)).

Лемма: Пусть функция f(x) имеет конечную производную в точке x₀. Если эта производная f‘(x₀)>0(f‘(x₀)<0), то для значений х, достаточно близких к x₀ справа, будет f(x)>f(x₀) (f(x)<f(x₀)), а для значений x, достаточно близких слева, будет f(x)<f(x₀) (f(x)>f(x₀)).

Доказательство: По определению производной, .

Если f‘(x₀)>0, то найдется такая окрестность (x₀-d,x₀+d) точки x₀, в которой (при х¹x₀) (f(x)-f(x₀))/(x-x₀)>0. Пусть x₀<x<x+d, так что х-х₀>0 => из предыдущего неравенства следует, что f(x)-f(x₀)>0, т.е. f(x)>f(x₀). Если же x-d<x<x₀ и х-х₀<0, то очевидно и f(x)-f(x₀)<0, т.е. f(x)<f(x₀). Ч.т.д.

Теорема Ферма: Пусть функция f(x) определена в некотором промежутке I=(a;b) и во внутренней точке x₀ этого промежутка принимает наибольшее (наименьшее) значение. Если функция f(x) дифференцируема в точке x₀, то необходимо f‘(x₀)=0.

Доказательство: Пусть для определенности f(x) принимает наибольшее значение в точке x₀. Предположение, что f‘(x₀)¹0, приводит к противоречию: либо f‘(x₀)>0, и тогда (по лемме) f(x)>f(x₀), если x>x₀ и достаточно близко к x₀, либо f‘(x₀)<0, и тогда f(x)>f(x₀), если x<x₀ и достаточно близко к x₀. В обоих случаях f(x₀) не может быть наибольшим значением функции f(x) в промежутке I=(a;b) => получили противоречие => теорема доказана.

Следствие: Если существует наибольшее (наименьшее) значение функции на [a;b] то оно достигается либо на концах промежутка, либо в точках, где производной нет, либо она равна нулю.