高阶导数的求解技巧
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把要求导的函数写成两项相乘的形式, 然后直接应用 Leibniz 公式:
n
!k
(u·v)(n)= Cn u(k)v(n- k), 其中 u(0)=u,v(0)=v。
k=0
出版社, 2004 [ 2] 裴礼文著. 数学分析中典型问题与方法( 二 版) [M]. 高
等教育出版社, 2006( 4) [ 3] 吴 良 森 等. 数 学 分 析 学 习 指 导 书[M]. 高 等 教 育 出 版
张鸿
( 哈尔滨师范大学阿城学院数学系 黑龙江阿城 150301)
微积分是数学分析的重点内容之一, 而求导数是这一部 分的基础。求高阶导数是求导问题的一个重点及难点, 解决 这一问题的关键是找到合适的求解方法, 这样才会达到事半 功倍, 触类旁通的效果。下面就详细阐述求高阶导数的方法:
一、按定义逐阶求导, 找出规律, 最后求出 y(n)(n∈N+)
二 、循 环 结 构
五、用 Taylor 展式求导数
若 函 数 f(x)按(x- a)的 幂 展 开 的 幂 级 数,则 必 是 函 数 f(x)的
Taylor 展式:
∞
% f(x)= f(n)(a) (x- a)n n = 0 n! ∞
! 因此, 若得到展开式 f(x)= an(x- a)n, 则知: f(n)(a)=ann! n=0
故 f(k)(0)=
2n+1
。
0
, k=2n
本文对求高阶导数的方法作了系统的阐述与讲解, 愿对
这一问题的学习会有帮助。
参考文献:
[ 1] 华 东 师 范 大 学 数 学 系.数 学 分 析 ( 三 版 ) [M].高 等 教 育
循环结构, 又称重复结构, 即反复执行某一部分的操作, 循环结构是结构化程序设计的三种基本结构之一。以 C 语言 为例, 有以下几种构成循环的方法:
1/3 的学生建议增加太极拳的教学课时以多学多练, 提高对太
极拳的熟练掌握水平。由此可见, 重视直观训练法在太极拳
教 学 中 的 应 用 是 可 行 的 。因 为 学 生 有 了 良 好 的 态 度 后 。势 必 产
生学习动机。又因为动机是行为的发端, 动机是在内在环境
刺 激— ——引 起 动 机 状 态 — ——产 生 动 机 行 为 — ——达 到 满 意 状
社, 2004 [责任编辑 莫海平]
四 、用 递 推 公 式 求 导
C 语言中循环的应用
当高阶导数无法直接求出时, 可考虑先求出导数的递推
公式。方法是先求出前几阶的导数关系, 然后设法将等式作
适当处理, 使两端同时求导便得到一般的递推关系。
例 5.设 y=(arcsinx)2, ( 1) 证明它满足方程:
当高阶导数不能一次求出时, 可先求出前几阶导数, 总结 归纳, 找出规律, 然后再用数学归纳法加以证明。
例 1.求 y=sinx 与 y=cosx 的各阶导数。
有些式子不易直接求高阶导数, 当拆项以后, 变成易于求
高阶导数的一些基本形式之和, 便立即可直接求导。在这里要
用到的基本形式主要有:
( xk)(n)=k(k- 1)…(k- n+1)xk-n(n≤k),
在许多问题中需要用到循环控制。例如, 要输入全校学生 成绩; 求若干个数之和; 迭代求根等, 几乎所有实用的程序都 包含循环。在循环算法中, 穷举和迭代是两类具有代表性的基 本应用。
( 一) 穷举。穷举是一种重复型算法。它的基本思想是, 对 问题的所有可能状态一一测试, 直到找到解或将全部可能状 态都测试为止。
xf(n+1)(x)+nfn(x)- (1- x2)f(n+2)(x)+2nxy(n+1)(x)+n(n- 1)f(n)(x)=0
( 2) 求 f(n)(0)。
解: 由 f′(x)=2 arcsinx , 即( 1- x2) f′2(x)=4f(x)
( 1)
"1-
2
x
对( 1) 式两端同时求导, 并整理: - xf′(x)+(1- x2)f″(x)=2 ( 2)
从而 f(2k+1)(0)=0(k=0,1,2,…),
k- 1
# f(2k)(0)=( 2k- 2) 2(2k- 4)2…22·2=( (2k- 2i)2)·2 i=1
k- 1
$ =22k-1( (k- i))2=22k-1((k- 1)! )2 (k=1,2,…) i=1
类似于例 5 可解决: 若 y=arctanx, 求 f(n)(0)。
态 — — — 不 满 意 可 再 引 起 新 动 机 。 直 观 教 学 法 的 最 大 特 点 就 是
生动和可控制的画面以及精练的语言。这样大大激发学生学
习兴趣 , 可使学生的心情舒畅、精神振奋、课堂气氛活跃, 使学
生始终处在愉快的太极拳运动中, 从而较为精确掌握太极拳
这一美妙的运动。
三 、结 论 与 建 议
当 x=0 时, 由左右导数定义可求得: f′+( 0) =f′-( 0) =f′( 0) =
0, f(n)( 0) ( n≥2) 不存在, 故
$&2x,x>0
f′( x) = %&&0,x=0 ,
&
-&&
’
2x,
x<0
(&2,x>0
f″( x)
=
不 &&
%
存
在
,x=0
,
&
&
-&
’
2,
x<0
#0,x≠0
应用 Leibniz 公式对( 2) 式两端同时求 n 阶导数, 并整理得:
xf(n+1)(x)+nf(n)(x)- (1- x2)f(n+2)(x)+2nxf(n+1)(x)+n(n- 1)f(n)(x)=0 ( 3)
在( 1) ( 2) ( 3) 式中, 令 x=0 得: f′(0)=0,f″(0)=0,f(n+2)(0)=n2f(n)(0).
[责任编辑 门彦阁]
提示: (sinx)(n)=sin(x+ n !), ( cosx) (n)=cos(x+ n !)
2
2
#x2,x≥0
例 2.研究函数 f(x)=
的高阶导数。
- x2,x<0
解: 当 x>0 时, f′( x) =2x, f″( x) =2, f(k)x=0(k≥3);
当 x<0 时, f′( x) =- 2x, f″( x) =- 2, f(k)x=0(k≥3);
f(n)( x) =
( n≥3) 。
不 存 在 ,x=0
类 似 于 例 2 可 解 决 : 研 究 函 数 f( x) =|x3|在 x=0 处 的 各 阶
导数。
1
1
例Leabharlann Baidu
3.证明 : ( xn-1e x
)
(n)=
(- 1)n xn+1
ex
(n∈N+)
证明: 当 n=1, 2 时显然成立。
假设当 n=k- 1 时也成立, 下证 n=k+1 时也成立:
( 2) y=sinaxsibx,
(
3)
y=
x2+x+1 x2- 5x+6
提示: ( 1) 先降次: y=( 1- cos2x )3+( 1- cos2x )3= 5 + 3 cos4x
2
2
88
( 2) 先积化和差, 再利用公式即可。
( 3) 先分项: y=1-
7 x- 2
+
13 x- 3
190
三 、直 接 使 用 公 式
1
1
( xke x ) (k+1)=(( xke x ) ′)
1
1
=( kxk-1e x - xk-2e x ) (k)
1
1
=( kxk-1e x )(k)- ((xk-2e x ) k-1)′
再利用 n=k- 1 与 n=k 已有的结果代入整理即为所求。
二 、先 拆 项 再 求 导
高阶导数的求解技巧
吴亚明 孙晓霞
( 绥化学院计算机科学与技术系 黑龙江绥化 152061)
一、引言
C 语言是近年来在国内外得到迅速推广应用的一种计算 机语言, 它功能丰富, 数据结构丰富, 表达能力强,使用灵活方 便, 目标程序效率高, 可移植性好应用面广, 集高级语言和低 级语言的优点于一身, 因此特别适合于编写系统软件。但由于 C 语言牵涉到的概念比较复杂, 规则繁多, 所以很多初学者感 到困难, 尤其在循环结构、函数递归调用、数组的理解与使用、 指针的定义和使用上更是一头雾水。下面我就结合在教学和 实践中切身体会和经验, 主要谈谈循环在 C 语言中的应用。
例 6.求 y=arctanx 在 x=0 处的各阶导数。
∞
! 解
:
f′=
1 1+x2
= (- 1)nx2n(|x|<1),
n=0
再将其两端从
0
到
x 积分
可得:
∞
! f( x) = (- 1)n x2n+1 (|x|<1),
n=0
2n+1
&(- 1)n (2n+1)! =(- 1)n(2n)! ,k=2n+1
( 1) 用 goto 语句和 if 语句构成循环; ( 2) 用 while 语句; ( 3) 用 do- while 语句; ( 4) 用 for 语句; 结构化 程序 设 计 方 法 主 张 限 制 使 用 goto 语 句 , 因 为 滥 用 goto 语句将使程序流程无规律、可读性差。
三 、循 环 的 使 用
1. 直 观 教 学 法 在 高 校 太 极 拳 教 学 中 具 有 很 好 的 教 学 效 果。
2.高校要 重视 太极 拳直 观训 练运 用, 在 场地 、设施 诸方 面 给予倾斜, 以满足太极拳教学的需求, 为发展我国传统武术文 化尽一份力。
参考文献: [1]王瑞元.运动生理学[M].北京: 人民体育出版社, 2002 [2]田麦久.运动训练学[M].北京: 人民体育出版社, 2002
例: 搬砖问题 36 快砖, 36 人搬; 男搬 4, 女搬 3, 两个小孩抬一砖。要求 一次全搬完, 问男、女、小孩各若干?
191
( ax)(n)=ax(lna)n+(ex)(n)=ex,
(lnx)(n)=(- 1)n-1(n- 1)! x-n,
(sinx)(n)=sin(x+ n !), (cosx)(n)=cos(x+ n !)
2
2
特别注意: , f(ax+b) - (n)=anf(n)(ax+b)中不要丢掉因子 an。
例 4.计算 y(n): ( 1) y=sin6x+cos6x,
苦训练, 才能正确掌握太极拳的技术和动作要领。
组别 实验班
表 2 实验后常规调查结果
对太极拳 学习态度
对教学建议
67%喜 欢
30%增 课 时 多 学
课下经常 练习情况
30%
对照班 45%喜欢
15%增 课 时 多 学
10%
从表 2 可以看出, 实验组和对照组学生对太极拳的学习 态度有明显不同。实验组学生对学习太极拳兴趣大, 有接近
n
!k
(u·v)(n)= Cn u(k)v(n- k), 其中 u(0)=u,v(0)=v。
k=0
出版社, 2004 [ 2] 裴礼文著. 数学分析中典型问题与方法( 二 版) [M]. 高
等教育出版社, 2006( 4) [ 3] 吴 良 森 等. 数 学 分 析 学 习 指 导 书[M]. 高 等 教 育 出 版
张鸿
( 哈尔滨师范大学阿城学院数学系 黑龙江阿城 150301)
微积分是数学分析的重点内容之一, 而求导数是这一部 分的基础。求高阶导数是求导问题的一个重点及难点, 解决 这一问题的关键是找到合适的求解方法, 这样才会达到事半 功倍, 触类旁通的效果。下面就详细阐述求高阶导数的方法:
一、按定义逐阶求导, 找出规律, 最后求出 y(n)(n∈N+)
二 、循 环 结 构
五、用 Taylor 展式求导数
若 函 数 f(x)按(x- a)的 幂 展 开 的 幂 级 数,则 必 是 函 数 f(x)的
Taylor 展式:
∞
% f(x)= f(n)(a) (x- a)n n = 0 n! ∞
! 因此, 若得到展开式 f(x)= an(x- a)n, 则知: f(n)(a)=ann! n=0
故 f(k)(0)=
2n+1
。
0
, k=2n
本文对求高阶导数的方法作了系统的阐述与讲解, 愿对
这一问题的学习会有帮助。
参考文献:
[ 1] 华 东 师 范 大 学 数 学 系.数 学 分 析 ( 三 版 ) [M].高 等 教 育
循环结构, 又称重复结构, 即反复执行某一部分的操作, 循环结构是结构化程序设计的三种基本结构之一。以 C 语言 为例, 有以下几种构成循环的方法:
1/3 的学生建议增加太极拳的教学课时以多学多练, 提高对太
极拳的熟练掌握水平。由此可见, 重视直观训练法在太极拳
教 学 中 的 应 用 是 可 行 的 。因 为 学 生 有 了 良 好 的 态 度 后 。势 必 产
生学习动机。又因为动机是行为的发端, 动机是在内在环境
刺 激— ——引 起 动 机 状 态 — ——产 生 动 机 行 为 — ——达 到 满 意 状
社, 2004 [责任编辑 莫海平]
四 、用 递 推 公 式 求 导
C 语言中循环的应用
当高阶导数无法直接求出时, 可考虑先求出导数的递推
公式。方法是先求出前几阶的导数关系, 然后设法将等式作
适当处理, 使两端同时求导便得到一般的递推关系。
例 5.设 y=(arcsinx)2, ( 1) 证明它满足方程:
当高阶导数不能一次求出时, 可先求出前几阶导数, 总结 归纳, 找出规律, 然后再用数学归纳法加以证明。
例 1.求 y=sinx 与 y=cosx 的各阶导数。
有些式子不易直接求高阶导数, 当拆项以后, 变成易于求
高阶导数的一些基本形式之和, 便立即可直接求导。在这里要
用到的基本形式主要有:
( xk)(n)=k(k- 1)…(k- n+1)xk-n(n≤k),
在许多问题中需要用到循环控制。例如, 要输入全校学生 成绩; 求若干个数之和; 迭代求根等, 几乎所有实用的程序都 包含循环。在循环算法中, 穷举和迭代是两类具有代表性的基 本应用。
( 一) 穷举。穷举是一种重复型算法。它的基本思想是, 对 问题的所有可能状态一一测试, 直到找到解或将全部可能状 态都测试为止。
xf(n+1)(x)+nfn(x)- (1- x2)f(n+2)(x)+2nxy(n+1)(x)+n(n- 1)f(n)(x)=0
( 2) 求 f(n)(0)。
解: 由 f′(x)=2 arcsinx , 即( 1- x2) f′2(x)=4f(x)
( 1)
"1-
2
x
对( 1) 式两端同时求导, 并整理: - xf′(x)+(1- x2)f″(x)=2 ( 2)
从而 f(2k+1)(0)=0(k=0,1,2,…),
k- 1
# f(2k)(0)=( 2k- 2) 2(2k- 4)2…22·2=( (2k- 2i)2)·2 i=1
k- 1
$ =22k-1( (k- i))2=22k-1((k- 1)! )2 (k=1,2,…) i=1
类似于例 5 可解决: 若 y=arctanx, 求 f(n)(0)。
态 — — — 不 满 意 可 再 引 起 新 动 机 。 直 观 教 学 法 的 最 大 特 点 就 是
生动和可控制的画面以及精练的语言。这样大大激发学生学
习兴趣 , 可使学生的心情舒畅、精神振奋、课堂气氛活跃, 使学
生始终处在愉快的太极拳运动中, 从而较为精确掌握太极拳
这一美妙的运动。
三 、结 论 与 建 议
当 x=0 时, 由左右导数定义可求得: f′+( 0) =f′-( 0) =f′( 0) =
0, f(n)( 0) ( n≥2) 不存在, 故
$&2x,x>0
f′( x) = %&&0,x=0 ,
&
-&&
’
2x,
x<0
(&2,x>0
f″( x)
=
不 &&
%
存
在
,x=0
,
&
&
-&
’
2,
x<0
#0,x≠0
应用 Leibniz 公式对( 2) 式两端同时求 n 阶导数, 并整理得:
xf(n+1)(x)+nf(n)(x)- (1- x2)f(n+2)(x)+2nxf(n+1)(x)+n(n- 1)f(n)(x)=0 ( 3)
在( 1) ( 2) ( 3) 式中, 令 x=0 得: f′(0)=0,f″(0)=0,f(n+2)(0)=n2f(n)(0).
[责任编辑 门彦阁]
提示: (sinx)(n)=sin(x+ n !), ( cosx) (n)=cos(x+ n !)
2
2
#x2,x≥0
例 2.研究函数 f(x)=
的高阶导数。
- x2,x<0
解: 当 x>0 时, f′( x) =2x, f″( x) =2, f(k)x=0(k≥3);
当 x<0 时, f′( x) =- 2x, f″( x) =- 2, f(k)x=0(k≥3);
f(n)( x) =
( n≥3) 。
不 存 在 ,x=0
类 似 于 例 2 可 解 决 : 研 究 函 数 f( x) =|x3|在 x=0 处 的 各 阶
导数。
1
1
例Leabharlann Baidu
3.证明 : ( xn-1e x
)
(n)=
(- 1)n xn+1
ex
(n∈N+)
证明: 当 n=1, 2 时显然成立。
假设当 n=k- 1 时也成立, 下证 n=k+1 时也成立:
( 2) y=sinaxsibx,
(
3)
y=
x2+x+1 x2- 5x+6
提示: ( 1) 先降次: y=( 1- cos2x )3+( 1- cos2x )3= 5 + 3 cos4x
2
2
88
( 2) 先积化和差, 再利用公式即可。
( 3) 先分项: y=1-
7 x- 2
+
13 x- 3
190
三 、直 接 使 用 公 式
1
1
( xke x ) (k+1)=(( xke x ) ′)
1
1
=( kxk-1e x - xk-2e x ) (k)
1
1
=( kxk-1e x )(k)- ((xk-2e x ) k-1)′
再利用 n=k- 1 与 n=k 已有的结果代入整理即为所求。
二 、先 拆 项 再 求 导
高阶导数的求解技巧
吴亚明 孙晓霞
( 绥化学院计算机科学与技术系 黑龙江绥化 152061)
一、引言
C 语言是近年来在国内外得到迅速推广应用的一种计算 机语言, 它功能丰富, 数据结构丰富, 表达能力强,使用灵活方 便, 目标程序效率高, 可移植性好应用面广, 集高级语言和低 级语言的优点于一身, 因此特别适合于编写系统软件。但由于 C 语言牵涉到的概念比较复杂, 规则繁多, 所以很多初学者感 到困难, 尤其在循环结构、函数递归调用、数组的理解与使用、 指针的定义和使用上更是一头雾水。下面我就结合在教学和 实践中切身体会和经验, 主要谈谈循环在 C 语言中的应用。
例 6.求 y=arctanx 在 x=0 处的各阶导数。
∞
! 解
:
f′=
1 1+x2
= (- 1)nx2n(|x|<1),
n=0
再将其两端从
0
到
x 积分
可得:
∞
! f( x) = (- 1)n x2n+1 (|x|<1),
n=0
2n+1
&(- 1)n (2n+1)! =(- 1)n(2n)! ,k=2n+1
( 1) 用 goto 语句和 if 语句构成循环; ( 2) 用 while 语句; ( 3) 用 do- while 语句; ( 4) 用 for 语句; 结构化 程序 设 计 方 法 主 张 限 制 使 用 goto 语 句 , 因 为 滥 用 goto 语句将使程序流程无规律、可读性差。
三 、循 环 的 使 用
1. 直 观 教 学 法 在 高 校 太 极 拳 教 学 中 具 有 很 好 的 教 学 效 果。
2.高校要 重视 太极 拳直 观训 练运 用, 在 场地 、设施 诸方 面 给予倾斜, 以满足太极拳教学的需求, 为发展我国传统武术文 化尽一份力。
参考文献: [1]王瑞元.运动生理学[M].北京: 人民体育出版社, 2002 [2]田麦久.运动训练学[M].北京: 人民体育出版社, 2002
例: 搬砖问题 36 快砖, 36 人搬; 男搬 4, 女搬 3, 两个小孩抬一砖。要求 一次全搬完, 问男、女、小孩各若干?
191
( ax)(n)=ax(lna)n+(ex)(n)=ex,
(lnx)(n)=(- 1)n-1(n- 1)! x-n,
(sinx)(n)=sin(x+ n !), (cosx)(n)=cos(x+ n !)
2
2
特别注意: , f(ax+b) - (n)=anf(n)(ax+b)中不要丢掉因子 an。
例 4.计算 y(n): ( 1) y=sin6x+cos6x,
苦训练, 才能正确掌握太极拳的技术和动作要领。
组别 实验班
表 2 实验后常规调查结果
对太极拳 学习态度
对教学建议
67%喜 欢
30%增 课 时 多 学
课下经常 练习情况
30%
对照班 45%喜欢
15%增 课 时 多 学
10%
从表 2 可以看出, 实验组和对照组学生对太极拳的学习 态度有明显不同。实验组学生对学习太极拳兴趣大, 有接近