Tính đạo Hàm Và Vi Phân Cấp Cao Của Hàm Số - Vted

Bài viết này Vted giới thiệu đến bạn đọc phương pháp Tính đạo hàm và vi phân cấp cao của hàm số

Xem thêm các bài viết:

>>Khai triển Taylor và ứng dụng

>>Ứng dụng của đạo hàm trong phân tích kinh tế

Một số công thức đạo hàm cấp cao của hàm số thường gặp

$\begin{array}{l} y = \sin (ax + b) \Rightarrow {y^{(n)}}(x) = {a^n}\sin \left( {ax + b + \dfrac{{n\pi }}{2}} \right)\\ y = \cos (ax + b) \Rightarrow {y^{(n)}}(x) = {a^n}\cos \left( {ax + b + \dfrac{{n\pi }}{2}} \right)\\ y = \dfrac{1}{{ax + b}} \Rightarrow {y^{(n)}}(x) = \dfrac{{{{( - 1)}^n}{a^n}.n!}}{{{{(ax + b)}^{n + 1}}}}\\ y = {e^{ax + b}} \Rightarrow {y^{(n)}}(x) = {a^n}{e^{ax + b}}.\\ y = {(ax + b)^\alpha } \Rightarrow {y^{(n)}}(x) = {a^n}\alpha (\alpha - 1)...(\alpha - n + 1){(ax + b)^{\alpha - n}} \end{array}$

Công thức Lepnit tính đạo hàm cấp cao của hàm số tích

Cho các hàm số $y=u(x),y=v(x)$ có đạo hàm đến cấp $n$ khi đó ${{\left[ u(x).v(x) \right]}^{(n)}}=\sum\limits_{k=0}^{n}{C_{n}^{k}{{u}^{(k)}}(x){{v}^{(n-k)}}(x)}.$

Chứng minh. Ta dùng phương pháp quy nạp:

Với $n=1\Rightarrow (uv{)}'=u{v}'+{u}'v=C_{1}^{0}u{v}'+C_{1}^{1}{u}'v$ công thức đúng.

Giả sử công thức đúng đến $n-1$ tức ${{\left[ u(x).v(x) \right]}^{(n-1)}}=\sum\limits_{k=0}^{n-1}{C_{n-1}^{k}{{u}^{(k)}}(x){{v}^{(n-1-k)}}(x)}.$

Khi đó:

\[\begin{gathered} {\left[ {u(x).v(x)} \right]^{(n)}} = {\left( {{{\left[ {u(x).v(x)} \right]}^{(n - 1)}}} \right)^\prime } = {\left( {\sum\limits_{k = 0}^{n - 1} {C_{n - 1}^k{u^{(k)}}(x){v^{(n - 1 - k)}}(x)} } \right)^\prime } \\ = \sum\limits_{k = 0}^{n - 1} {C_{n - 1}^k} \left( {{u^{(k + 1)}}(x){v^{(n - 1 - k)}}(x) + {u^{(k)}}(x){v^{(n - k)}}(x)} \right) \\ = \sum\limits_{k = 0}^{n - 1} {C_{n - 1}^k{u^{(k + 1)}}(x){v^{(n - 1 - k)}}(x)} + \sum\limits_{k = 0}^{n - 1} {C_{n - 1}^k{u^{(k)}}(x){v^{(n - k)}}(x)} \\ = \sum\limits_{k = 0}^{n - 1} {C_{n - 1}^{(k + 1) - 1}{u^{(k + 1)}}(x){v^{(n - (k + 1))}}(x)} + \sum\limits_{k = 0}^{n - 1} {C_{n - 1}^k{u^{(k)}}(x){v^{(n - k)}}(x)} \\ = \sum\limits_{k = 1}^n {C_{n - 1}^{k - 1}{u^{(k)}}(x){v^{(n - k)}}(x)} + \sum\limits_{k = 0}^{n - 1} {C_{n - 1}^k{u^{(k)}}(x){v^{(n - k)}}(x)} \\ = C_{n - 1}^0{u^{(0)}}(x){v^{(n)}}(x) + C_{n - 1}^{n - 1}{u^{(n)}}(x){v^{(0)}}(x) + \sum\limits_{k = 1}^{n - 1} {\left( {C_{n - 1}^{k - 1} + C_{n - 1}^k} \right){u^{(k)}}(x){v^{(n - k)}}(x)} \\ = C_n^0{u^{(0)}}(x){v^{(n)}}(x) + C_n^n{u^{(n)}}(x){v^{(0)}}(x) + \sum\limits_{k = 1}^{n - 1} {C_n^k{u^{(k)}}(x){v^{(n - k)}}(x)} = \sum\limits_{k = 0}^n {C_n^k{u^{(k)}}(x){v^{(n - k)}}(x)} . \\ \end{gathered} \]

Ta có điều phải chứng minh.

Xem thêm các bài viết:

>>Khai triển Taylor và ứng dụng

>>Ứng dụng của đạo hàm trong phân tích kinh tế

Các ví dụ minh hoạ

Câu 1. Tính đạo hàm ${{f}^{(50)}}(x)$ với $f(x)=(2{{x}^{2}}+x+1){{e}^{5x+2}}.$

Giải. Ta có:

$\begin{array}{c} {f^{(50)}}(x) = \sum\limits_{k = 0}^{50} {C_{50}^k{{(2{x^2} + x + 1)}^{(k)}}{{({e^{5x + 2}})}^{(50 - k)}}} .\\ = {5^{50}}(2{x^2} + x + 1){e^{5x + 2}} + 50(4x + 1){5^{49}}{e^{5x + 2}} + {1225.4.5^{48}}{e^{5x + 2}}. \end{array}$

Câu 2. Cho hàm số $f(x)=\dfrac{1+x}{\sqrt{1-x}}.$ Tính ${{f}^{(100)}}(0).$

Giải. Ta có

$\begin{array}{l} f(x) = \dfrac{{1 + x}}{{\sqrt {1 - x} }} = \dfrac{{2 - (1 - x)}}{{\sqrt {1 - x} }} = 2{(1 - x)^{ - \dfrac{1}{2}}} - {(1 - x)^{\dfrac{1}{2}}}.\\ {f^{(100)}}(x) = 2\left[ {{{( - 1)}^{100}}\left( { - \dfrac{1}{2}} \right)\left( { - \dfrac{1}{2} - 1} \right)...\left( { - \dfrac{1}{2} - 99} \right){{(1 - x)}^{ - \dfrac{1}{2} - 100}}} \right]\\ - \left[ {{{( - 1)}^{100}}\left( {\dfrac{1}{2}} \right)\left( {\dfrac{1}{2} - 1} \right)...\left( {\dfrac{1}{2} - 99} \right){{(1 - x)}^{\dfrac{1}{2} - 100}}} \right]\\ = \dfrac{{3.5...199}}{{{2^{99}}}}{(1 - x)^{ - \dfrac{{201}}{2}}} + \dfrac{{3.5....197}}{{{2^{100}}}}{(1 - x)^{\dfrac{{197}}{2}}}. \end{array}$

Do đó ${{f}^{(100)}}(0)=\dfrac{3.5...197}{{{2}^{100}}}(199.2+1)=399\dfrac{(197)!!}{{{2}^{100}}},$ trong đó $(2n+1)!!=(2n+1)(2n-1)...5.3.1;(2n)!!=2n(2n-2)...6.4.2.$

Câu 3. Tính ${{f}^{(100)}}(x)$ biết $f(x)={{x}^{2}}\cos x.$

Giải. Ta có:

$\begin{array}{c} {f^{(100)}}(x) = \sum\limits_{k = 0}^{100} {C_{100}^k{{({x^2})}^{(k)}}{{(\cos x)}^{(100 - k)}}} \\ = {x^2}\cos \left( {x + \dfrac{{100\pi }}{2}} \right) + 100.2x.\cos \left( {x + \dfrac{{99\pi }}{2}} \right) + 4950.2.\cos \left( {x + \dfrac{{98\pi }}{2}} \right)\\ = {x^2}\cos x + 200x\sin x - 9900\cos x. \end{array}$

Câu 4. Tính đạo hàm cấp cao ${{y}^{(5)}}(x)$ của hàm số $y=\ln (2{{x}^{2}}-x).$

Giải. Ta có: ${y}'=\dfrac{4x-1}{2{{x}^{2}}-x}=\dfrac{4x-1}{x(2x-1)}=\dfrac{4}{2x-1}-\dfrac{1}{x(2x-1)}=\dfrac{4}{2x-1}-\left( \dfrac{2}{2x-1}-\dfrac{1}{x} \right)=\dfrac{2}{2x-1}+\dfrac{1}{x}.$

Vậy ${{y}^{(5)}}(x)={{\left( \dfrac{2}{2x-1}+\dfrac{1}{x} \right)}^{(4)}}=2\dfrac{{{2}^{4}}{{(-1)}^{4}}4!}{{{(2x-1)}^{5}}}+\dfrac{{{(-1)}^{4}}4!}{{{x}^{5}}}=24\left( \dfrac{32}{{{(2x-1)}^{5}}}+\dfrac{1}{{{x}^{5}}} \right).$

Câu 5. Tính đạo hàm cấp cao ${{f}^{(100)}}(0)$ của hàm số $f(x)=\dfrac{1}{{{x}^{2}}-x+1}.$

Giải. Ta có:

$\begin{array}{l} f(x) = \dfrac{1}{{{{\left( {x - \dfrac{1}{2}} \right)}^2} + \dfrac{3}{4}}} = \dfrac{1}{{{{\left( {x - \dfrac{1}{2}} \right)}^2} - {{\left( {\dfrac{{\sqrt 3 }}{2}i} \right)}^2}}} = \dfrac{1}{{\sqrt 3 i}}\left( {\dfrac{1}{{x - \dfrac{1}{2} - \dfrac{{\sqrt 3 }}{2}i}} - \dfrac{1}{{x - \dfrac{1}{2} + \dfrac{{\sqrt 3 }}{2}i}}} \right).\\ {f^{(100)}}(x) = \dfrac{1}{{\sqrt 3 i}}\left( {\dfrac{{{{( - 1)}^{100}}100!}}{{{{\left( {x - \dfrac{1}{2} - \dfrac{{\sqrt 3 }}{2}i} \right)}^{101}}}} - \dfrac{{{{( - 1)}^{100}}100!}}{{{{\left( {x - \dfrac{1}{2} + \dfrac{{\sqrt 3 }}{2}i} \right)}^{101}}}}} \right)\\ {f^{(100)}}(0) = \dfrac{{100!}}{{\sqrt 3 i}}\left( {\dfrac{1}{{{{\left( { - \dfrac{1}{2} - \dfrac{{\sqrt 3 }}{2}i} \right)}^{101}}}} - \dfrac{1}{{{{\left( { - \dfrac{1}{2} + \dfrac{{\sqrt 3 }}{2}i} \right)}^{101}}}}} \right) = \dfrac{{100!}}{{\sqrt 3 i}}( - \sqrt 3 i) = - 100! \end{array}$

Bước cuối bạn đọc thay dạng lượng giác số phức vào để rút gọn.

Cách 2:Ta có $({{x}^{2}}-x+1)y=1,$ đạo hàm cấp n hai vế có:

$\begin{array}{l} ({x^2} - x + 1){y^{(n)}}(x) + n(2x - 1){y^{(n - 1)}}(x) + n(n - 1){y^{(n - 2)}}(x) = 0\\ {y^{(n)}}(0) - n{y^{(n - 1)}}(0) + n(n - 1){y^{(n - 2)}}(0) = 0 \Leftrightarrow \dfrac{{{y^{(n)}}(0)}}{{n!}} - \dfrac{{{y^{(n - 1)}}(0)}}{{(n - 1)!}} + \dfrac{{{y^{(n - 2)}}(0)}}{{(n - 2)!}} = 0\\ {u_n} = \dfrac{{{y^{(n)}}(0)}}{{n!}} \Rightarrow {u_n} - {u_{n - 1}} + {u_{n - 2}} = 0.... \end{array}$

Câu 6. Tính đạo hàm cấp cao ${{y}^{(99)}}(0)$ của hàm số $y=\arcsin x.$

Giải. Ta có:

$\begin{array}{l} y' = \dfrac{1}{{\sqrt {1 - {x^2}} }} \Rightarrow (1 - {x^2})y' = \sqrt {1 - {x^2}} \\ \Rightarrow - 2xy' + (1 - {x^2})y'' = - \dfrac{x}{{\sqrt {1 - {x^2}} }} = - xy'\\ \Leftrightarrow (1 - {x^2})y'' - xy' = 0. \end{array}$

Do đó ${{\left( (1-{{x}^{2}}){y}''-x{y}' \right)}^{(n)}}=0$ và

$\begin{array}{l} (1 - {x^2}){y^{(n + 2)}}(x) - n.2x.{y^{(n + 1)}}(x) - n(n - 1){y^{(n)}}(x) - x{y^{(n + 1)}}(x) - n{y^{(n)}}(x) = 0.\\ \Rightarrow {y^{(n + 2)}}(0) = {n^2}{y^{(n)}}(0) \Rightarrow {y^{(99)}}(0) = {97^2}{y^{(97)}}(0) = ... = {(97.95...3.1)^2}y'(0) = {(97!!)^2}. \end{array}$

Câu 7. Tính đạo hàm cấp 100 của hàm số $f(x)=\dfrac{{{x}^{3}}}{\sqrt[3]{{{x}^{3}}-5{{x}^{4}}}}.$

Giải. Có \[f(x)=\dfrac{{{x}^{3}}}{\sqrt[3]{{{x}^{3}}-5{{x}^{4}}}}=\dfrac{{{x}^{3}}}{x\sqrt[3]{1-5x}}=\dfrac{{{x}^{2}}}{\sqrt[3]{1-5x}}={{x}^{2}}{{\left( 1-5x \right)}^{-\dfrac{1}{3}}}.\]

Vì vậy áp dụng công thức Lepnit có

\[\begin{gathered} {f^{(100)}}(x) = \sum\limits_{k = 0}^{100} {C_{100}^k{{\left( {{x^2}} \right)}^{(k)}}{{\left( {{{\left( {1 - 5x} \right)}^{ - \dfrac{1}{3}}}} \right)}^{(100 - k)}}} = C_{100}^0{x^2}\left( { - \dfrac{1}{3}\left( { - \dfrac{1}{3} - 1} \right)...\left( { - \dfrac{1}{3} - 99} \right){{\left( {1 - 5x} \right)}^{ - \dfrac{1}{3} - 100}}{{( - 5)}^{100}}} \right) \\ + C_{100}^12x\left( { - \dfrac{1}{3}\left( { - \dfrac{1}{3} - 1} \right)...\left( { - \dfrac{1}{3} - 98} \right){{\left( {1 - 5x} \right)}^{ - \dfrac{1}{3} - 99}}{{( - 5)}^{99}}} \right) \\ + C_{100}^22\left( { - \dfrac{1}{3}\left( { - \dfrac{1}{3} - 1} \right)...\left( { - \dfrac{1}{3} - 97} \right){{\left( {1 - 5x} \right)}^{ - \dfrac{1}{3} - 98}}{{( - 5)}^{98}}} \right) \\ = {( - 5)^{98}}\left( { - \dfrac{1}{3}\left( { - \dfrac{1}{3} - 1} \right)...\left( { - \dfrac{1}{3} - 97} \right)} \right){\left( {1 - 5x} \right)^{ - \dfrac{1}{3} - 100}} \\ \times \left( {{{( - 5)}^2}\left( { - \dfrac{1}{3} - 98} \right)\left( { - \dfrac{1}{3} - 99} \right){x^2} + {{( - 5)}^1}2C_{100}^1\left( { - \dfrac{1}{3} - 98} \right)(1 - 5x)x + 2C_{100}^2{{(1 - 5x)}^2}} \right) \\ = {( - 5)^{98}}\prod\limits_{k = 0}^{97} {\left( { - \dfrac{1}{3} - k} \right)} {\left( {1 - 5x} \right)^{ - \dfrac{1}{3} - 100}}\left( {\dfrac{{250}}{9}{x^2} - \dfrac{{2000}}{3}x + 9900} \right). \\ \end{gathered} \]

Câu 8. Tính đạo hàm cấp cao ${{y}^{(10)}}(0)$ cuả hàm số $y={{e}^{-{{x}^{2}}}}.$

Giải. Có ${y}'=-2x{{e}^{-{{x}^{2}}}}=-2xy\Leftrightarrow {y}'+2xy=0\Rightarrow {{\left( {y}'+2xy \right)}^{(n)}}=0.$

Khai triển công thức Lepnit có: ${{y}^{(n+1)}}+2x{{y}^{(n)}}+C_{n}^{1}2{{y}^{(n-1)}}=0\Rightarrow {{y}^{(n+1)}}(0)=-2n{{y}^{(n-1)}}(0).$

Do đó ${{y}^{(10)}}(0)=-18{{y}^{(8)}}(0)=...=\left( -18 \right)\left( -14 \right){{y}^{(6)}}(0)=...=\left( -18 \right)\left( -14 \right)...\left( -2 \right){{y}^{(0)}}(0)=-30240.$

Hiện tại Vted.vn xây dựng 2 khoá học Toán cao cấp 1 và Toán cao cấp 2 dành cho sinh viên năm nhất hệ Cao đẳng, đại học khối ngành Kinh tế của tất cả các trường:

1. Khoá: PRO S1 - MÔN TOÁN CAO CẤP 1 - ĐẠI SỐ TUYẾN TÍNH
2. Khoá: PRO S2 - MÔN TOÁN CAO CẤP 2 - GIẢI TÍCH

Khoá học cung cấp đầy đủ kiến thức và phương pháp giải bài tập các dạng toán đi kèm mỗi bài học. Hệ thống bài tập rèn luyện dạng Tự luận có lời giải chi tiết tại website sẽ giúp học viên học nhanh và vận dụng chắc chắn kiến thức. Mục tiêu của khoá học giúp học viên đạt điểm A thi cuối kì các học phần Toán cao cấp 1 và Toán cao cấp 2 trong các trường kinh tế.

Sinh viên các trường ĐH sau đây có thể học được combo này:

- ĐH Kinh Tế Quốc Dân

- ĐH Ngoại Thương

- ĐH Thương Mại

- Học viện Tài Chính

- Học viện ngân hàng

- ĐH Kinh tế ĐH Quốc Gia Hà Nội

và các trường đại học, ngành kinh tế của các trường ĐH khác trên khắp cả nước...

ĐĂNG KÍ COMBO TOÁN CAO CẤP DÀNH CHO SINH VIÊN TẠI ĐÂY