Раздел III. Производная и дифференциал — § 15

Кудрявцев § 15. Производные и дифференциалы высших порядков

Условия, ответы и подробные решения задач параграфа

33 задачи

33 из 33 с разбором

Задача 15.1

Найти производную второго порядка:

1) y=x2+13x+11y = x^2 + 13x + 11;
2) y=1+10x+1x98y = 1 + 10x + \dfrac{1}{x^{98}};
3) y=x(1+31−x2)1−x2y = \dfrac{x(1 + 3\sqrt{1 - x^2})}{\sqrt{1 - x^2}};
4) y=cos⁡2xy = \cos^2 x;
5) y=sh⁡2x+ch⁡2xy = \operatorname{sh}^2 x + \operatorname{ch}^2 x;
6) y=ln⁡(x+x2+1)y = \ln\bigl(x + \sqrt{x^2 + 1}\bigr);
7) y=arctg⁡(x+x2+1)y = \operatorname{arctg}\bigl(x + \sqrt{x^2 + 1}\bigr);
8) y=arcctg⁡1−x2x−x2y = \operatorname{arcctg}\dfrac{1 - x}{\sqrt{2x - x^2}};
9) y=arcsin⁡x2−1x2+1y = \arcsin\dfrac{x^2 - 1}{x^2 + 1};
10) y=2arctg⁡x4+14x−ln⁡1+x44+x1+x44−xy = 2\operatorname{arctg}\dfrac{\sqrt[4]{x^4 + 1}}{x} - \ln\dfrac{\sqrt[4]{1 + x^4} + x}{\sqrt[4]{1 + x^4} - x}.

Задача 15.2

Найти вторую производную в указанной точке:

1) y=ex,  x=4y = e^{\sqrt{x}},\; x = 4;
2) y=x5(x−1)4,  x=5y = \dfrac{x^5}{(x-1)^4},\; x = 5;
3) y=arcsin⁡x1−x2,  x=0y = \dfrac{\arcsin x}{\sqrt{1 - x^2}},\; x = 0;
4) y=esin⁡xcos⁡(sin⁡x),  x=0y = e^{\sin x} \cos(\sin x),\; x = 0.

Задача 15.3

s(t)=2t2+53t3s(t) = 2t^2 + \dfrac{5}{3}t^3. Найти ускорение через 5 с.

Задача 15.4

Доказать, что при движении по закону s(t)=aet+be−ts(t) = ae^t + be^{-t} ускорение численно равно пройденному пути.

Задача 15.5

Доказать, что при движении по закону s(t)=ts(t) = \sqrt{t} ускорение пропорционально кубу скорости.

Задача 15.6

s1(t)=t3+t22+t+12,  s2(t)=23t3+3t2−5ts_1(t) = t^3 + \dfrac{t^2}{2} + t + \dfrac12,\; s_2(t) = \dfrac{2}{3}t^3 + 3t^2 - 5t. Найти ускорения, когда скорости равны.

Задача 15.7

m=0,1m = 0{,}1 кг, s(t)=t2−4t4s(t) = t^2 - 4t^4. Найти величину силы при t=3t = 3 (СИ).

Задача 15.8

По окружности радиуса R=5R = 5 м движется точка с постоянной угловой скоростью ω=2\omega = 2 рад/с. Найти величину ускорения.

Задача 15.9

Найти второй дифференциал функции (xx — независимая переменная, d2y=y′′ dx2d^{2}y = y''\,dx^{2}):

1) y=(x2+x+1)e−xy = (x^{2} + x + 1)e^{-x};
2) y=2x+ctg⁡2xy = 2x + \ctg 2x;
3) y=x(cos⁡ln⁡x+sin⁡ln⁡x)y = x(\cos\ln x + \sin\ln x);
4) y=xx  (x>0)y = x^{x}\;(x>0).

Задача 15.10

Найти второй дифференциал функции в указанной точке:

1) y=x33−x2,  x=1y = \dfrac{x^{3}}{3 - x^{2}},\; x = 1;
2) y=3x+2x2−2x+5,  x=0y = \dfrac{3x + 2}{x^{2} - 2x + 5},\; x = 0;
3) y=x(x−5)23,  x=−3y = x\sqrt[3]{(x-5)^{2}},\; x = -3;
4) y=arctg⁡2+x22−x2,  x=0y = \operatorname{arctg}\dfrac{2 + x^{2}}{2 - x^{2}},\; x = 0.

Задача 15.11

Определить, удовлетворяет ли функция y=y(x)y = y(x) заданному уравнению:

1) y=Acos⁡ax+Bsin⁡ax,y′′+a2y=0y = A\cos ax + B\sin ax,\quad y'' + a^{2}y = 0;
2) y=Aeax+Be−ax,y′′−a2y=0y = Ae^{ax} + Be^{-ax},\quad y'' - a^{2}y = 0;
3) y=(Acos⁡3x+Bsin⁡3x)e−x,y′′+2y′+10y=0y = (A\cos 3x + B\sin 3x)e^{-x},\quad y'' + 2y' + 10y = 0;
4) y=Aex+Be−x−1x,y′′−y=x2−2x3y = Ae^{x} + Be^{-x} - \dfrac{1}{x},\quad y'' - y = \dfrac{x^{2} - 2}{x^{3}};
5) y=1+cos⁡ex+sin⁡ex,y′′−y′+e2xy=0y = 1 + \cos e^{x} + \sin e^{x},\quad y'' - y' + e^{2x}y = 0;
6) y=(x+1+x2)10,(1+x2)y′′+xy′−100y=0y = \bigl(x + \sqrt{1+x^{2}}\bigr)^{10},\quad (1+x^{2})y'' + xy' - 100y = 0;
7) y=e10arcsin⁡x,(1−x2)y′′−xy′−100y=0y = e^{10\arcsin x},\quad (1-x^{2})y'' - xy' - 100y = 0;
8) y=cos⁡(10arccos⁡x),(1−x2)y′′−xy′+100y=0y = \cos(10\arccos x),\quad (1-x^{2})y'' - xy' + 100y = 0.

Задача 15.12

Найти y′′y'', считая известными u′,u′′,v′,v′′u', u'', v', v'' (u,vu, v — функции от xx):

1) y=v+2uuy = \dfrac{v + 2u}{u};
2) y=euvy = e^{uv};
3) y=arctg⁡vuy = \operatorname{arctg}\dfrac{v}{u};
4) y=ln⁡u2+v2y = \ln\sqrt{u^{2} + v^{2}}.

Задача 15.13

Найти d2yd^{2}y, считая известными du,d2u,dv,d2vdu, d^{2}u, dv, d^{2}v (дифференциал второго порядка от функции y=f(u,v)y = f(u,v)):

1) y=u(2+v)y = u(2+v);
2) y=uln⁡vy = u\ln v;
3) y=u2+v2y = \sqrt{u^{2} + v^{2}};
4) y=uv  (u>0)y = u^{v}\;(u>0).

Задача 15.14

Найти d2ydx2\dfrac{d^{2}y}{dx^{2}} для функций, заданных параметрически:

1) x=t3, y=t2x = t^{3},\ y = t^{2};
2) x=t21+t3, y=t31+t3x = \dfrac{t^{2}}{1+t^{3}},\ y = \dfrac{t^{3}}{1+t^{3}};
3) x=ln⁡cos⁡t, y=ln⁡cos⁡2tx = \ln\cos t,\ y = \ln\cos 2t;
4) x=acos⁡t, y=bsin⁡tx = a\cos t,\ y = b\sin t;
5) x=(1+cos⁡2t)sin⁡t, y=sin⁡2tcos⁡tx = (1+\cos^{2}t)\sin t,\ y = \sin^{2}t\cos t;
6) x=tch⁡t−sh⁡t, y=tsh⁡t−ch⁡tx = t\ch t - \sh t,\ y = t\sh t - \ch t;
7) x=et1+t, y=(t−1)etx = \dfrac{e^{t}}{1+t},\ y = (t-1)e^{t};
8) x=1cos⁡t, y=tg⁡t−tx = \dfrac{1}{\cos t},\ y = \tg t - t;
9) x=sin⁡log⁡2t, y=tg⁡log⁡2tx = \sin\log_{2}t,\ y = \tg\log_{2}t;
10) x=2cos⁡2t, y=2sin⁡2tx = 2^{\cos^{2}t},\ y = 2^{\sin^{2}t}.

Задача 15.15

Найти d2ydx2\dfrac{d^{2}y}{dx^{2}} в заданной точке:

1) x=(t2+1)et, y=t2e2t, (1;0)x = (t^{2}+1)e^{t},\ y = t^{2}e^{2t},\ (1;0);
2) x=2t−t2t−1, y=t2t−1, (0;4)x = \dfrac{2t-t^{2}}{t-1},\ y = \dfrac{t^{2}}{t-1},\ (0;4);
3) x=ln⁡(1+sin⁡φ), y=ln⁡(1−cos⁡2φ), (ln⁡32; ln⁡12)x = \ln(1+\sin\varphi),\ y = \ln(1-\cos 2\varphi),\ (\ln\dfrac32;\,\ln\dfrac12);
4) x=ch⁡tsin⁡t+sh⁡tcos⁡t, y=ch⁡tcos⁡t−sh⁡tsin⁡t, (0;1)x = \ch t\sin t + \sh t\cos t,\ y = \ch t\cos t - \sh t\sin t,\ (0;1).

Задача 15.16

Найти d2xdy2\dfrac{d^{2}x}{dy^{2}} для функций, заданных параметрически:

1) x=−2+3t−t3, y=t+2t2+t3x = -2 + 3t - t^{3},\ y = t + 2t^{2} + t^{3};
2) x=ln⁡tg⁡t2, y=ln⁡tg⁡tx = \ln\tg\dfrac{t}{2},\ y = \ln\tg t;
3) x=log⁡5sin⁡t, y=log⁡5cos⁡tx = \log_{5}\sin t,\ y = \log_{5}\cos t;
4) x=arcsin⁡tg⁡t, y=cos⁡2t (cos⁡2t>0)x = \arcsin\tg t,\ y = \sqrt{\cos 2t}\ (\cos 2t > 0).

Задача 15.17

Доказать, что функция удовлетворяет заданному уравнению:

1) x=t3+t, y=34t4+12t2+1, y′′(1+3y′2)=1x = t^{3}+t,\ y = \dfrac34t^{4}+\dfrac12t^{2}+1,\ y''(1+3y'^{2}) = 1;
2) x=etcos⁡t, y=etsin⁡t, (x−y)2y′′=2(xy′−y)x = e^{t}\cos t,\ y = e^{t}\sin t,\ (x-y)^{2}y'' = 2(xy'-y);
3) x=sin⁡t, y=Ae2t+Be−2t, (1−x2)y′′−xy′=2yx = \sin t,\ y = Ae^{\sqrt{2}t} + Be^{-\sqrt{2}t},\ (1-x^{2})y'' - xy' = 2y;
4) x=3At2+ln⁡Bt, y=2At3+t (A,B>0), (3y−2y′)y′′=y′2x = 3At^{2} + \ln Bt,\ y = 2At^{3} + t\ (A,B>0),\ (3y-2y')y'' = y'^{2}.

Задача 15.18

Найти d3ydx3\dfrac{d^{3}y}{dx^{3}} для функций, заданных параметрически:

1) x=acos⁡t, y=asin⁡tx = a\cos t,\ y = a\sin t;
2) x=ach⁡t, y=ash⁡tx = a\ch t,\ y = a\sh t;
3) x=acos⁡3t, y=asin⁡3tx = a\cos^{3}t,\ y = a\sin^{3}t;
4) x=a(t−sin⁡t), y=a(1−cos⁡t)x = a(t-\sin t),\ y = a(1-\cos t);
5) x=e−tcos⁡t, y=e−tsin⁡tx = e^{-t}\cos t,\ y = e^{-t}\sin t;
6) x=cos⁡t−ln⁡ctg⁡t2, y=sin⁡tx = \cos t - \ln\ctg\dfrac{t}{2},\ y = \sin t.

Задача 15.19

Найти dnydxn\dfrac{d^{n}y}{dx^{n}} для функций, заданных параметрически:

1) x=acos⁡2t, y=bsin⁡2tx = a\cos^{2}t,\ y = b\sin^{2}t;
2) x=cos⁡t, y=cos⁡nt (n∈N)x = \cos t,\ y = \cos nt\ (n \in \mathbb{N});
3) x=t2−t+1, y=t2+t+1x = t^{2} - t + 1,\ y = t^{2} + t + 1;
4) x=tt+1, y=2t2+t(t+1)2x = \dfrac{t}{t+1},\ y = \dfrac{2t^{2}+t}{(t+1)^{2}}.

Задача 15.20

Пусть для функции y=f(x)y = f(x) известны f′(x),f′′(x),f′′′(x)f'(x), f''(x), f'''(x). Найти вторую и третью производные обратной функции x=f−1(y)x = f^{-1}(y).

Задача 15.21

Найти вторую производную y′′y'' для функции, заданной неявно:

1) x2+y2=a2x^{2}+y^{2}=a^{2};
2) x2−y2=a2x^{2}-y^{2}=a^{2};
3) x2a2+y2b2=1\dfrac{x^{2}}{a^{2}}+\dfrac{y^{2}}{b^{2}}=1;
4) y2=2pxy^{2}=2px;
5) ex−y=x+ye^{x-y}=x+y;
6) e2y−2ln⁡x−1=0e^{2y}-2\ln x-1=0;
7) y−xtg⁡ln⁡x2+y2=0y-x\tg\ln\sqrt{x^{2}+y^{2}}=0;
8) y2=ex4−y2y^{2}=e^{x^{4}-y^{2}}.

Задача 15.22

Найти d2yd^{2}y в точке для неявно заданной функции:

1) x2+2xy+y2−4x+2y−2=0,  (1;1)x^{2}+2xy+y^{2}-4x+2y-2=0,\;(1;1);
2) 2ln⁡(y−x)+sin⁡xy=0,  (0;1)2\ln(y-x)+\sin xy=0,\;(0;1);
3) x3y+arcsin⁡(y−x)=1,  (1;1)x^{3}y + \arcsin(y-x) = 1,\;(1;1);
4) 3(y−x+1)+arctg⁡(y/x)=0,  (1;0)3(y-x+1) + \operatorname{arctg}(y/x) = 0,\;(1;0).

Задача 15.23

Доказать, что функция из уравнения удовлетворяет дифференциальному уравнению:

1) y=Aln⁡y+x+By = A\ln y + x + B, доказать yy′′=(y′)2−(y′)3y y'' = (y')^{2} - (y')^{3};

2) (A+Bx)ey/x=x(A+Bx)e^{y/x} = x, доказать x3y′′=(xy′−y)2x^{3}y'' = (xy'-y)^{2}.

Задача 15.24

Найти y(n)(x)y^{(n)}(x):

1) y=x3+x+e3xy = x^{3}+x+e^{3x};
2) y=a0xn+a1xn−1+⋯+any = a_0x^n + a_1x^{n-1} + \dots + a_n (многочлен степени nn);
3) y=1+x1−xy = \dfrac{1+x}{1-x};
4) y=ax+bcx+d (c≠0)y = \dfrac{ax+b}{cx+d}\ (c\neq0);
5) y=ln⁡(ax+b) (a≠0)y = \ln(ax+b)\ (a\neq0);
6) y=sin⁡2xy = \sin^2 x;
7) y=sin⁡ax sin⁡bxy = \sin ax\,\sin bx;
8) y=ch⁡ax ch⁡bxy = \operatorname{ch} ax\,\operatorname{ch} bx;
9) y=sin⁡2x sin⁡2xy = \sin^2 x\,\sin 2x;
10) y=sin⁡4x+cos⁡4xy = \sin^4 x + \cos^4 x;
11) y=cos⁡4xy = \cos^4 x;

12) y=11−2xy = \dfrac{1}{\sqrt{1-2x}};
13) y=xx2−4x−12y = \dfrac{x}{x^2-4x-12};
14) y=1+x21−x2y = \dfrac{1+x^2}{1-x^2};
15) y=3−2x22x2+3x−2y = \dfrac{3-2x^2}{2x^2+3x-2}.

Задача 15.25

Найти y(n)(x)y^{(n)}(x):

1) y=(x−1)2x−1y = (x-1)2^{x-1};
2) y=(2x−1)23x⋅32xy = (2x-1)2^{3x} \cdot 3^{2x};
3) y=(3−2x)2e2−3xy = (3-2x)^2 e^{2-3x};
4) y=xlog⁡2(1−3x)y = x \log_2(1-3x);
5) y=ln⁡(x−1)2xy = \ln(x-1)^{2x};
6) y=xln⁡3+x3−xy = x \ln \dfrac{3+x}{3-x};
7) y=xln⁡(x2−3x+2)y = x \ln(x^2 - 3x + 2);
8) y=xcos⁡xy = x \cos x;
9) y=2xcos⁡2x3y = 2x \cos^2 \dfrac{x}{3};
10) y=(x2+x)cos⁡2xy = (x^2 + x) \cos^2 x.

Задача 15.26

Найти y(n)(x)y^{(n)}(x):

1) y=x1−5xy = \dfrac{x}{\sqrt{1-5x}};
2) y=x21−2xy = \dfrac{x^{2}}{\sqrt{1-2x}};
3) y=eaxcos⁡(bx+c)y = e^{ax}\cos(bx+c);
4) y=e2xsin⁡2xy = e^{2x}\sin^{2}x;

5) y=ch⁡axsin⁡bxy = \operatorname{ch} ax \sin bx;
6) y=xn−1e1/xy = x^{n-1}e^{1/x};
7) y=xn−1ln⁡xy = x^{n-1}\ln x;
8) y=arctg⁡xy = \operatorname{arctg} x.

Задача 15.27

Вычислить в заданной точке производную указанного порядка nn:

1) y=(2x−7)2(3x+7)3y = (2x-7)^{2}(3x+7)^{3};
а) n=5n=5;
б) n=6n=6;
2) y=xy = \sqrt{x}, n=10n=10, x=1x=1;
3) y=x21−xy = \dfrac{x^{2}}{1-x}, n=8n=8, x=0x=0;
4) y=x+1x2+x−2y = \dfrac{x+1}{x^{2}+x-2}, n=13n=13, x=−12x=-\dfrac12;
5) y=x2+3x3y = \sqrt{x^{2}+3x^{3}}, n=5n=5, x=1x=1;
6) y=1−x22−3x3y = \dfrac{1-x^{2}}{\sqrt[3]{2-3x}}, n=6n=6, x=−1x=-1;
7) y=x2ln⁡xy = x^{2}\ln x, n=100n=100, x=1x=1;
8) y=(x2−2x)cos⁡3xy = (x^{2}-2x)\cos 3x, n=101n=101, x=1x=1;
9) y=xsin⁡xcos⁡2xy = x\sin x \cos 2x, n=100n=100, x=π2x=\dfrac{\pi}{2};
10) y=(x−sin⁡x)2y = (x - \sin x)^{2}, n=16n=16, x=π4x=\dfrac{\pi}{4};
11) y=arctg⁡2xy = \operatorname{arctg}^{2} x;
а) n=10n=10, x=0x=0;
б) n=11n=11, x=0x=0.

Задача 15.28

Вычислить в заданной точке дифференциал указанного порядка nn:

1) y=(x+5)5, n=3, x=0y = (x+5)^5,\ n=3,\ x=0;
2) y=7x+1(3x−2)2, n=10, x=1y = \dfrac{7x+1}{(3x-2)^2},\ n=10,\ x=1;
3) y=(x2−1+x−1)2, n=16, x=1y = \left(\sqrt{x^2-1} + \sqrt{x-1}\right)^2,\ n=16,\ x=1;
4) y=sin⁡xsin⁡2xsin⁡3x, n=10, x=π6y = \sin x\sin 2x\sin 3x,\ n=10,\ x=\dfrac{\pi}{6};
5) y=(2x2+1)sh⁡2x, n=8, x=0y = (2x^2+1)\sh^2 x,\ n=8,\ x=0;
6) y=arcsin⁡xy = \arcsin x;
а) n=19, x=0n=19,\ x=0;
б) n=20, x=0n=20,\ x=0.

Задача 15.29

Определить, какого порядка производными в точке x=0x=0 функция обладает, и вычислить в этой точке все существующие производные:

1) y(x)={1−cos⁡x,x<0,ln⁡(1+x)−x,x≥0;y(x) = \begin{cases} 1-\cos x, & x<0,\\ \ln(1+x)-x, & x\ge0; \end{cases}
2) y(x)={2xcos⁡x,x<0,sin⁡2x,x≥0;y(x) = \begin{cases} 2x\cos x, & x<0,\\ \sin 2x, & x\ge0; \end{cases}
3) y(x)={sh⁡x−x,x<0,x−sin⁡x,x≥0;y(x) = \begin{cases} \sh x - x, & x<0,\\ x - \sin x, & x\ge0; \end{cases}
4) y(x)={sh⁡x,x<0,sin⁡xch⁡x,x≥0;y(x) = \begin{cases} \sh x, & x<0,\\ \sin x \ch x, & x\ge0; \end{cases}
5) y(x)={x10,x∈Q,−x10,x∉Q;y(x) = \begin{cases} x^{10}, & x\in\mathbb{Q},-x^{10}, & x\notin\mathbb{Q}; \end{cases}
6) y(x)={x100sin⁡(1/x),x≠0,0,x=0;y(x) = \begin{cases} x^{100}\sin(1/x), & x\neq0,\\ 0, & x=0; \end{cases}
7) y(x)={e−1/x2,x≠0,0,x=0.y(x) = \begin{cases} e^{-1/x^2}, & x\neq0,\\ 0, & x=0. \end{cases}

Задача 15.30

Пусть f(x)∈Cn−1[0;+∞)f(x) \in C^{n-1}[0; +\infty). Доказать, что существуют числа aka_k (1⩽k⩽n1 \leqslant k \leqslant n) такие, что функцияφ(x)={∑k=1nakf(−kx),x<0,f(x),x⩾0,\varphi(x) =
\begin{cases}
\displaystyle \sum_{k=1}^{n} a_k f(-kx), & x < 0,\\[2mm]
f(x), & x \geqslant 0,
\end{cases}
непрерывно дифференцируема на всей оси.

Задача 15.31

Пусть функция φ(x)\varphi(x) дифференцируема и удовлетворяет условию φ′(x)=f(φ(x))\varphi'(x) = f(\varphi(x)), где ff имеет производные всех порядков. Доказать, что φ(x)\varphi(x) также имеет производные всех порядков.

Задача 15.32

Доказать, что если f(n)f^{(n)} существует, то(xn−1f(1x))(n)=(−1)nxn+1f(n)(1x).\left( x^{n-1} f\left( \dfrac{1}{x} \right) \right)^{(n)}
=
\dfrac{(-1)^n}{x^{n+1}} f^{(n)}\left( \dfrac{1}{x} \right).

Задача 15.33

Пусть Pn,m(x)=dndxn(1−xm)nP_{n,m}(x) = \dfrac{d^n}{dx^n} (1-x^m)^n, m>0m > 0. Найти Pn,m(1)P_{n,m}(1).