29. Дифференциал функции, инвариантность формы 1-го дифференциала

Рассмотрим функцию y = f(x), дифференцируемую в данной точке x. Приращение  y ее представимо в виде

 y = f'(x) x + ( x)  x,

где первое слагаемое линейно относительно  x, а второе является в точке  x = 0 бесконечно малой функцией более высокого порядка, чем  x. Если f'(x) 0, то первое слагаемое представляет собой главную часть приращения  y. Эта главная часть приращения является линейной функцией аргумента  x и называется дифференциалом функции y = f(x). Если f'(x) = 0, то дифференциал функции по определению считается равным нулю.

Определение 5 (дифференциал). Дифференциалом функции y = f(x) называется главная линейная относительно  x часть приращения  y, равная произведению производной на приращение независимой переменной

dy = f'(x) x.

Заметим, что дифференциал независимой переменной равен приращению этой переменной dx =  x. Поэтому формулу для дифференциала принято записывать в следующем виде:

dy = f'(x)dx.

(4)

Выясним каков геометрический смысл дифференциала. Возьмем на графике функции y = f(x) произвольную точку M(x,y) (рис21.). Проведем касательную к кривой y = f(x) в точке M, которая образует угол  с положительным направлением оси OX, то есть f'(x) = tg . Из прямоугольного треугольника MKN

KN = MNtg xtg  = f'(x) x,

то есть dy = KN.

Таким образом, дифференциал функции есть приращение ординаты касательной, проведенной к графику функции y = f(x) в данной точке, когда x получает приращение  x.

Отметим основные свойства дифференциала, которые аналогичны свойствам производной.

1. d c = 0;

2. d(c u(x)) = c d u(x);

3. d(u(x)  v(x)) = d u(x)  d v(x);

4. d(u(x) v(x)) = v(x) d u(x) + u(x)d v(x);

5. d(u(x) / v(x)) = (v(x) d u(x) - u(x) d v(x)) / v²(x).

Укажем еще на одно свойство, которым обладает дифференциал, но не обладает производная. Рассмотрим функцию y = f(u), где u =  (x), то есть рассмотрим сложную функцию y = f((x)). Если каждая из функций f и  являются дифференцируемыми, то производная сложной функции согласно теореме (3) равна y' = f'(u)· u'. Тогда дифференциал функции

dy = f'(x)dx = f'(u)u'dx = f'(u)du,

так как u'dx = du. То есть

dy = f'(u)du.

(5)

Последнее равенство означает, что формула дифференциала не изменяется, если вместо функции от x рассматривать функцию от переменной u. Это свойство дифференциала получило название инвариантности формы первого дифференциала.

Замечание. Отметим, что в формуле (4) dx =  x, а в формуле (5) du яляется лишь линейной частью приращения функции u.

30. Производные высших порядков. Ф-ла Лейбница

Предположим, что функция f'(x) является дифференцируемой в некоторой точке x интервала (a,b), то есть имеет в этой точке производную. Тогда данную производную называют второй произвоьдной и обозначают f⁽²⁾(x), f''(x) или y⁽²⁾, y''(x). Аналогично можно ввести понятие второй , третьей и т. д. производных. По индукции можно ввести понятие n- ой производной:

y^(^n^) = (y^(^n-^1))'.

(6)

Функцию, имеющую на некотором множестве конечную производную порядка n, называют n раз дифференцируемой на этом множестве. Методика нахождения производных высших порядков предполагает умение находить производные первого порядка, о чем говорит формула (6).

Если u(x), v(x) две дифференцируемые функции, то для нахождения производной их произведения справедлива формула Лейбница

(u(x)v(x))⁽ⁿ⁾ = u⁽ⁿ⁾v+nu^(n-1)v'+(n(n-1)/2)u^(n-2)v''+...+ uv⁽ⁿ⁾ =

= _{k = 0}ⁿC_n^ku^(n-k)v^(k),

где

C_n^k = (n(n-1)(n-2)...(n-k+1))/k!, u⁽⁰⁾ = u, v⁽⁰⁾ = v.

Данная формула Лейбница особенно эффективна в случае, когда одна из перемножаемых функций имеет конечное число отличных от нуля производных и легко вычислить производные другой функции.

Пример 9. Пусть y = e^x(x²-1). Найти y⁽¹⁰⁾. Положим u(x) = e^x, v(x) = (x²-1). Согласно формуле Лейбница

y⁽¹⁰⁾ = (e^x)⁽²⁵⁾(x²-1)+10(e^x)⁽⁹⁾(x²-1)'+(10· 9/2) (e^x)⁽⁸⁾(x²-1)'',

так как следующие слагаемые равны нулю. Поэтому

y⁽¹⁰⁾ = e^x(x²-1)+10e^x2x+(10· 9/2)e^x (2) = e^x(x²+20x+89)

Рассмотрим выражение для первого дифференциала

dy = f'(x)dx.

Пусть функция, стоящая в правой части, является дифференцируемой функцией в данной точке x. Для этого достаточно, чтобы y = f(x), была дифференцируема два раза в данной точке x, а аргумент либо является независимой переменной, либо представляет собой дважды дифференцируемую функцию.