در آموزشهای قبلی از مجموعه
آموزشهای ریاضیات مجله فرادرس، مفاهیم مربوط به
مشتق را بیان کردیم. در این آموزشها، مباحثی مانند
مشتق ضمنی،
مشتق جزئی و
مشتق زنجیرهای بحث شد. همچنین، روش محاسبه
مشتق مراتب بالاتر را برای توابع صریح، ضمنی و پارامتری با ارائه مثالهای مختلف توضیح دادیم. در این آموزش، کاربرد «فرمول لایب نیتس» (Leibniz Formula) برای مشتقات مرتبه بالای ضرب دو تابع را با ارائه مثالهای متنوع بیان خواهیم کرد.
فرمول لایب نیتس
با استفاده از فرمول لایبنیتس، میتوان مشتق مرتبه
nاُم ضرب دو تابع را بهدست آورد. فرض کنید مشتقهای توابع
u(x) و
v(x) تا مرتبه
n موجود باشند.
مشتق زنجیرهای مرتبه اول ضرب این دو تابع، بهصورت زیر تعریف میشود:
(uv)′=u’v+uv’.
اگر یک بار دیگر از رابطه اخیر مشتق بگیریم، داریم:
(uv)′′=[(uv)′]′=(u’v+uv’)′=(u’v)′+(uv’)′=u′′v+u’v’+u’v’+uv′′=u′′v+2u’v’+uv′′.
به همین ترتیب، مشتق مرتبه سوم ضرب uv برابر است با:
(uv)′′′=[(uv)′′]′=(u′′v+2u’v’+uv′′)′=(u′′v)′+(2u’v’)′+(uv′′)′=u′′′v+u′′v’+2u′′v’+2u’v′′+u’v′′+uv′′′=u′′′v+3u′′v’+3u’v′′+uv′′′.
بهسادگی میتوان مشاهده کرد که فرمولهای مشتق مرتبه اول تا سوم، شبیه
بسط دوجملهای هستند. با فرض اینکه جملات با نمای صفر
u0 و
v0 متناظر با توابع
u و
v هستند، با فرمول عمومی زیر میتوان مشتق مرتبه
nاُم ضرب توابع
uv را نوشت:
$$ \large {\left( {uv} \right)^{\left( n \right)}} = {\sum\limits_{i = 0}^n {\left( {\begin{array}{*{20}{c}}<br />
n\\<br />
i<br />
\end{array}} \right){u^{\left( {n – i} \right)}}{v^{\left( i \right)}}} ,} $$
سید سراج حمیدی دانشآموخته مهندسی برق است و به ریاضیات و زبان و ادبیات فارسی علاقه دارد. او آموزشهای مهندسی برق، ریاضیات و ادبیات مجله فرادرس را مینویسد.