Перейти к содержанию

Вторая производная и выпуклость

Математика Алгебра Сложность 2/5

Начало урока

Вторая производная, выпуклость и точки перегиба

Полное руководство по производным высших порядков, анализу выпуклости и исследованию функций

1. Вторая производная — определение, обозначения и физический смысл

1.1 Определение

Вторая производная функции $f(x)$ — это просто производная от первой производной. Если $f'(x)$ существует и сама является дифференцируемой, то:

$$f''(x) = \frac{d}{dx}\left(\frac{df}{dx}\right) = \frac{d^2 f}{dx^2}$$
1.2 Обозначения

В различных учебниках используются несколько равнозначных обозначений:

ОбозначениеНазвание / Контекст
$f''(x)$Обозначение Лагранжа (наиболее распространённое в курсах алгебры и анализа)
$y''$Сокращённая запись при $y = f(x)$
$\dfrac{d^2 y}{dx^2}$Обозначение Лейбница (подчёркивает переменную)
$D^2 f$Операторное обозначение
1.3 Техника вычисления

Чтобы найти $f''(x)$, просто продифференцируйте $f'(x)$, используя те же правила (степенное правило, правило произведения, цепное правило и т.д.).

Быстрый пример: Пусть $f(x) = x^4 - 6x^2 + 5$.
Шаг 1: $f'(x) = 4x^3 - 12x$
Шаг 2: $f''(x) = 12x^2 - 12$
1.4 Физическая интерпретация — ускорение

Если $s(t)$ обозначает положение объекта в момент времени $t$, то:

  • $s'(t) = v(t)$ — это скорость (скорость изменения положения)
  • $s''(t) = v'(t) = a(t)$ — это ускорение (скорость изменения скорости)
Разгон и торможение:
  • Если $v(t)$ и $a(t)$ имеют одинаковый знак → объект ускоряется
  • Если $v(t)$ и $a(t)$ имеют противоположные знаки → объект замедляется
Это объясняется тем, что ускорение в направлении движения увеличивает скорость, а ускорение против направления движения уменьшает скорость.
Пример: Мяч, брошенный вверх: $s(t) = -4{,}9t^2 + 9{,}8t$ (метры).
$v(t) = s'(t) = -9{,}8t + 9{,}8$
$a(t) = s''(t) = -9{,}8$ м/с²
Ускорение постоянно и отрицательно (сила тяжести направлена вниз). При $t < 1$: $v(t) > 0$ (движение вверх) и $a < 0$ → замедление. При $t > 1$: $v(t) < 0$ (движение вниз) и $a < 0$ → ускорение.

Продолжите этот урок на YourAIZone

В полном уроке — объяснение целиком, разобранные примеры, частые ошибки, тесты с мгновенной проверкой и ИИ-репетитор. Начните сразу как гость или создайте аккаунт, чтобы сохранять прогресс.

В полном уроке

  • Объяснение целиком
  • Разобранные примеры
  • Частые ошибки и как их избежать
  • Тестовые вопросы: 15
  • ИИ-репетитор, который отвечает на вопросы по теме
  • Отслеживание прогресса для ученика, родителей и учителя