高階導數(Higher-Order Derivatives)

Basis
最後更新: 標籤: 微積分, 微分

你已知道導數 f′f' 衡量的是瞬時變化率。但 f′f' 本身也是一個函式,你可以進一步問它是否也有導數。反覆套用此過程,就能得到高階導數(higher-order derivative),它們編碼了曲率、躍動量,以及泰勒多項式的係數。

遞歸定義

定義。 第 nn 階導數 f(n)f^{(n)} 以遞歸方式定義:

f(0)≔f,f(n)≔(f(n−1))′for n≥1,f^{(0)} \coloneqq f, \qquad f^{(n)} \coloneqq \bigl(f^{(n-1)}\bigr)' \quad \text{for } n \geq 1,

只要鏈條中的每個導數都存在。

常見符號:

階數撇號記法萊布尼茲記法
1 階f′f'dfdx\dfrac{df}{dx}
2 階f′′f''d2fdx2\dfrac{d^2f}{dx^2}
3 階f′′′f'''d3fdx3\dfrac{d^3f}{dx^3}
第 nn 階f(n)f^{(n)}dnfdxn\dfrac{d^nf}{dx^n}

空間 CnC^n 與 C∞C^\infty

若 f(n)f^{(n)} 在區間 II 上存在且連續,則稱 f∈Cn(I)f \in C^n(I)(讀作「ff 是 CnC^n」或「ff 是 nn 次連續可微的」)。空間 C0(I)C^0(I) 就是連續函式;C1(I)C^1(I) 額外要求導數連續;以此類推。

各階導數均存在的函式稱為**光滑(smooth)**函式,屬於 C∞(I)C^\infty(I)。

C∞  ⊊  ⋯  ⊊  C2  ⊊  C1  ⊊  C0.C^\infty \;\subsetneq\; \cdots \;\subsetneq\; C^2 \;\subsetneq\; C^1 \;\subsetneq\; C^0.

每個包含關係都是嚴格的:存在屬於 CnC^n 但不屬於 Cn+1C^{n+1} 的函式。

例。 f(x)=∣x∣3f(x) = |x|^{3} 在 R\mathbb{R} 上屬於 C2C^2(因為 f′′=6∣x∣f'' = 6|x| 連續),但不屬於 C3C^3(因為 f′′′(0)f'''(0) 不存在)。

高階導數的例子

對多項式 p(x)=anxn+⋯+a0p(x) = a_n x^n + \cdots + a_0:

p(k)(x)  =  n!(n−k)!anxn−k+⋯(k≤n),p(k)≡0(k>n).p^{(k)}(x) \;=\; \frac{n!}{(n-k)!} a_n x^{n-k} + \cdots \quad (k \leq n), \qquad p^{(k)} \equiv 0 \quad (k > n).

對指數函式 exe^x:(ex)(n)=ex(e^x)^{(n)} = e^x 對所有 nn 成立。

sin⁡x\sin x 與 cos⁡x\cos x 的導數以週期 4 循環:

(sin⁡x)(n)=sin⁡ ⁣(x+nπ2),(cos⁡x)(n)=cos⁡ ⁣(x+nπ2).(\sin x)^{(n)} = \sin\!\left(x + \tfrac{n\pi}{2}\right), \qquad (\cos x)^{(n)} = \cos\!\left(x + \tfrac{n\pi}{2}\right).

萊布尼茲法則

乘積法則 (fg)′=f′g+fg′(fg)' = f'g + fg' 可推廣至任意階。其形式與二項式定理相互對應。

定理(萊布尼茲法則)。 若 ff 與 gg 均 nn 次可微,則

(fg)(n)  =  ∑k=0n(nk)f(k) g(n−k).(fg)^{(n)} \;=\; \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} f^{(k)}\, g^{(n-k)}.

數學歸納法證明。 基礎情形 n=1n = 1 即乘積法則。假設公式對 nn 成立,對兩端求導並對每一項 f(k)g(n−k)f^{(k)} g^{(n-k)} 使用乘積法則;二項式遞推關係 (nk−1)+(nk)=(n+1k)\binom{n}{k-1} + \binom{n}{k} = \binom{n+1}{k} 將求和重組為 n+1n+1 的公式。□\square

例。 (x2ex)′′=(x2)′′ex+2(x2)′ex+x2ex=2ex+4xex+x2ex=(x2+4x+2)ex(x^2 e^x)'' = (x^2)'' e^x + 2(x^2)' e^x + x^2 e^x = 2e^x + 4xe^x + x^2 e^x = (x^2 + 4x + 2)e^x。

摘要

  • 第 nn 階導數 f(n)f^{(n)} 以遞歸方式定義為 f(n−1)f^{(n-1)} 的導數。
  • f∈Cnf \in C^n 表示 f(n)f^{(n)} 存在且連續;f∈C∞f \in C^\infty 表示各階導數均存在。
  • 多項式最終微分至零;exe^x、sin⁡x\sin x、cos⁡x\cos x 屬於 C∞C^\infty,且第 nn 階導數有封閉形式。
  • 萊布尼茲法則:(fg)(n)=∑k=0n(nk)f(k)g(n−k)(fg)^{(n)} = \sum_{k=0}^n \binom{n}{k} f^{(k)} g^{(n-k)},是二項式定理的直接類比。