Survey
* Your assessment is very important for improving the workof artificial intelligence, which forms the content of this project
* Your assessment is very important for improving the workof artificial intelligence, which forms the content of this project
HIGHER ORDER DERIVATIVES Consider the function ๐(๐ฅ) = ๐ฅ 3 + ๐ฅ 2 โ 2๐ฅ + 1. Differentiating this function gives the first order derivative. Differentiating the first derivative gives the second derivative. Differentiating the second derivative gives the third derivative, and so on. Refer to the table below. Given: ๐(๐ฅ) = ๐ฅ 3 + ๐ฅ 2 โ 2๐ฅ + 1 Prime Notation 1st Order Derivative ๐โฒ(๐ฅ) 2nd Order Derivative ๐โฒโฒ(๐ฅ) 3rd Order Derivative ๐โฒโฒโฒ(๐ฅ) 4th Order Derivative ๐ (4) (๐ฅ) 5th Order Derivative ๐ (5) (๐ฅ) . . . . . . . . ๐๐กโ ๐๐๐๐๐ ๐๐๐๐๐ฃ๐๐ก๐๐ฃ๐ Ratio Notation ๐๐ ๐ (๐(๐ฅ)) = ๐๐ฅ ๐๐ฅ ๐2๐ ๐ (๐โฒ(๐ฅ)) = 2 ๐๐ฅ ๐๐ฅ ๐3๐ ๐ (๐โฒโฒ(๐ฅ)) = 3 ๐๐ฅ ๐๐ฅ ๐4๐ ๐๐ฅ 4 ๐5๐ ๐๐ฅ 5 . . . . ๐ (๐) (๐ฅ) ๐ โฒ (๐ฅ) = 3๐ฅ 2 + 2๐ฅ โ2 ๐ โฒโฒ (๐ฅ) = 6๐ฅ + 2 ๐ โฒโฒโฒ (๐ฅ) = 6 ๐ (4) (๐ฅ) = 0 ๐ (5) (๐ฅ) = 0 . . . . ๐๐ ๐ ๐๐ฅ ๐ ๐ (๐) (๐ฅ) = 0 The 2nd, 3rd, 4th and so on up to ๐๐กโ ๐๐๐๐๐ ๐๐๐๐๐ฃ๐๐ก๐๐ฃ๐ are known as Higher Order Derivatives. Notice that in the given function ๐(๐ฅ), the 4th order, ๐ (4) (๐ฅ), up to the nth order derivative, ๐ (๐) (๐ฅ), the derivative is zero. QUICK MATH FACT: If ๐(๐) is a polynomial of degree ๐, then, the ๐๐๐ ๐๐๐ ๐๐ derivative is zero for ๐ โฅ ๐ + ๐. That is, ๐(๐) (๐) = ๐ ๐๐๐ ๐ โฅ ๐ + ๐ EXAMPLE 1: Find the second and third โ order derivative of the function. 2 2 1.1. ๐(๐ฅ) = 3 ๐ฅ 3 โ ๐ฅ SOLUTION: APPLY POWER FORMULA 2 2 ๐(๐ฅ) = ๐ฅ 3 โ 3 ๐ฅ ๐ โฒ(๐ฅ) = 2๐ฅ 2 + 2 ๐ฅ2 ๐ โฒโฒ(๐ฅ) = 4๐ฅ โ ๐ โฒ(๐ฅ) = 2๐ฅ 2 + 2 ๐ฅ2 ๐ โฒโฒ(๐ฅ) = 4๐ฅ โ 4 ๐ฅ3 ๐ โฒโฒโฒ(๐ฅ) = 4 + 4 ๐ฅ3 12 ๐ฅ4 1.2. ๐ฆ = ๐ฅ 2 (๐ฅ โ 1)5 SOLUTION: APPLY PRODUCT RULE ๐ฆ โฒ = ๐ฅ(๐ฅ โ 1)4 (7๐ฅ โ 2) ๐ฆ = ๐ฅ 2 (๐ฅ โ 1)5 ๐ฆ โฒ = (๐ฅ โ 1)4 (7๐ฅ 2 โ 2๐ฅ) ๐ฆ โฒ = ๐ฅ 2 [5(๐ฅ โ 1)4 ] + (๐ฅ โ 1)5 (2๐ฅ) ๐ฆ โฒโฒ = (๐ฅ โ 1)4 (14๐ฅ โ 2) + (7๐ฅ 2 โ 2๐ฅ)(4)(๐ฅ โ 1)3 ๐ฆ โฒ = ๐ฅ(๐ฅ โ 1)4 [5๐ฅ + 2(๐ฅ โ 1)] ๐ฆ โฒโฒ = (๐ฅ โ 1)4 (2)(7๐ฅ โ 1) + (7๐ฅ 2 โ 2๐ฅ)(4)(๐ฅ โ 1)3 ๐ฆ โฒ = ๐ฅ(๐ฅ โ 1)4 [5๐ฅ + 2๐ฅ โ 2] ๐ฆ โฒโฒ = 2(๐ฅ โ 1)3 [(๐ฅ โ 1)(7๐ฅ โ 1) + 2(7๐ฅ 2 โ 2๐ฅ)] ๐ฆ โฒ = ๐ฅ(๐ฅ โ 1)4 (7๐ฅ โ 2) ๐ฆ โฒโฒ = 2(๐ฅ โ 1)3 [7๐ฅ 2 โ 8๐ฅ + 7 + 14๐ฅ 2 โ 4๐ฅ] ๐ฆ โฒโฒ = 2(๐ฅ โ 1)3 (21๐ฅ 2 โ 12๐ฅ + 7) ๐ฆ โฒโฒ = 2(๐ฅ โ 1)3 (21๐ฅ 2 โ 12๐ฅ + 7) ๐ฆ โฒโฒโฒ = 2[(๐ฅ โ 1)3 (42๐ฅ โ 12) + (21๐ฅ 2 โ 12๐ฅ + 7)(3)(๐ฅ โ 1)2 ] ๐ฆ โฒโฒโฒ = 2[(๐ฅ โ 1)3 (6)(7๐ฅ โ 2) + (21๐ฅ 2 โ 12๐ฅ + 7)(3)(๐ฅ โ 1)2 ] ๐ฆ โฒโฒโฒ = 2(3)(๐ฅ โ 1)2 [(๐ฅ โ 1)(3)(7๐ฅ โ 2) + (21๐ฅ 2 โ 12๐ฅ + 7)] ๐ฆ โฒโฒโฒ = 6(๐ฅ โ 1)2 [(๐ฅ โ 1)(21๐ฅ โ 6) + 21๐ฅ 2 โ 12๐ฅ + 7] ๐ฆ โฒโฒโฒ = 6(๐ฅ โ 1)2 [21๐ฅ 2 โ 27๐ฅ + 6 + 21๐ฅ 2 โ 12๐ฅ + 7] ๐ฆ โฒโฒโฒ = 6(๐ฅ โ 1)2 (42๐ฅ 2 โ 29๐ฅ + 13) 1.3. ๐ฆ = ๐ฅ โ๐ฅโ1 SOLUTION: APPLY QUOTIENT RULE ๐ฆ= ๐ฅ ๐ฆโฒ = โ๐ฅ โ 1 โ๐ฅ โ 1(1) โ ๐ฅ ( ๐ฆโฒ = 1 ) 2โ๐ฅ โ 1 โฒโฒ ๐ฆ = 2 (โ๐ฅ โ 1) ๐ฅโ2 2(๐ฅ โ 1)3/2 3 2(๐ฅ โ 1)3/2 (1) โ (๐ฅ โ 2)(2) (2) (๐ฅ โ 1)1/2 3 2 [2(๐ฅ โ 1)2 ] 1 ๐ฅ [๐ฅ โ 1 โ 2] โ1 ๐ฆ โฒ = โ๐ฅ ๐ฅโ1 ๐ฆ โฒโฒ = 2(๐ฅ โ 1)3/2 โ 3(๐ฅ โ 2)(๐ฅ โ 1)1/2 4(๐ฅ โ 1)3 ๐ฆ โฒโฒ = (๐ฅ โ 1)1/2 [2(๐ฅ โ 1) โ 3(๐ฅ โ 2)] 4(๐ฅ โ 1)3 ๐ฅโ2 2 ๐ฆ = (๐ฅ โ 1)3/2 ๐ฆ โฒโฒ = [2๐ฅ โ 2 โ 3๐ฅ + 6] 4(๐ฅ โ 1)5/2 ๐ฅโ2 ๐ฆ = 2(๐ฅ โ 1)3/2 ๐ฆ โฒโฒ = 4โ๐ฅ 4(๐ฅ โ 1)5/2 2๐ฅ โ 2 โ ๐ฅ 2 ๐ฆ = (๐ฅ โ 1)โ๐ฅ โ 1 โฒ โฒ โฒ ๐ฆ โฒโฒ = ๐ฆ โฒโฒโฒ = 4โ๐ฅ 4(๐ฅ โ 1)5/2 5 5 4(๐ฅ โ 1)2 (โ1) โ (4 โ ๐ฅ)(4) (2) (๐ฅ โ 1)3/2 5 2 [4(๐ฅ โ 1)2 ] 5 ๐ฆ โฒโฒโฒ 4(๐ฅ โ 1)2 (โ1) โ (4 โ ๐ฅ)(10)(๐ฅ โ 1)3/2 = 16(๐ฅ โ 1)5 ๐ฆ โฒโฒโฒ = โ2(๐ฅ โ 1)3/2 [2(๐ฅ โ 1) + 5(4 โ ๐ฅ)] 16(๐ฅ โ 1)5 ๐ฆ โฒโฒโฒ = โ (๐ฅ โ 1)3/2 [2๐ฅ โ 2 + 20 โ 5๐ฅ] 8(๐ฅ โ 1)5 ๐ฆ โฒโฒ = โ ๐ฆ โฒโฒโฒ = โ [18 โ 3๐ฅ] 8(๐ฅ โ 1)7/2 ๐ฆ โฒโฒโฒ = โ3(๐ฅ โ 6) 8(๐ฅ โ 1)7/2 3(๐ฅ โ 6) 8(๐ฅ โ 1)7/2 1.4. ๐(๐ฅ) = sin2 (๐๐ฅ) SOLUTION: APPLY POWER RULE ๐(๐ฅ) = sin2 (๐๐ฅ) ๐ โฒ (๐ฅ) = ๐ sin(2๐๐ฅ) ๐ โฒ (๐ฅ) = 2 sin(๐๐ฅ) cos(๐๐ฅ) (๐) ๐ โฒโฒ (๐ฅ) = ๐ cos(2๐๐ฅ) (2๐) TRIGONOMETRIC IDENTITY: ๐ โฒโฒ (๐ฅ) = 2๐ 2 cos(2๐๐ฅ) sin(2๐ฅ) = 2 sin(๐ฅ) cos(๐ฅ) ๐ โฒโฒ (๐ฅ) = 2๐ 2 cos(2๐๐ฅ) ๐ โฒ (๐ฅ) = sin(2๐๐ฅ) (๐) ๐ โฒโฒโฒ (๐ฅ) = โ2๐ 2 sin(2๐๐ฅ) (2๐) ๐ โฒ (๐ฅ) = ๐ sin(2๐๐ฅ) ๐ โฒโฒโฒ (๐ฅ) = โ4๐ 3 sin(2๐๐ฅ) 1.5. ๐2 ๐ฅ 2 + ๐ฆ 2 ๐ 2 = ๐2 ๐ 2 , find (๐)๐ฆ โฒ (๐)๐ฆ โฒโฒ (๐)๐ฆโฒโฒโฒ SOLUTION: APPLY IMPLICIT DIFFERENTIATION ๐2 ๐ฅ 2 + ๐ฆ 2 ๐ 2 = ๐2 ๐ 2 2๐2 ๐ฅ + 2๐ 2 ๐ฆ๐ฆ โฒ = 0 2๐ 2 ๐ฆ๐ฆ โฒ = โ2๐2 ๐ฅ โ2๐2 ๐ฅ ๐ฆ = 2๐ 2 ๐ฆ โฒ ๐ฆโฒ = โ๐2 ๐ฅ ๐2๐ฆ From ๐2 ๐ฅ 2 + ๐ฆ 2 ๐2 = ๐2 ๐ 2 ๐2 ๐ 2 โ ๐2 ๐ฅ 2 ๐ฆ=โ ๐2 ๐ฆ= ๐โ๐ 2 โ ๐ฅ 2 ๐ So, ๐ฆโฒ = โ๐2 ๐ฅ ๐2๐ฆ โ๐2 ๐ฅ ๐ฆโฒ = ๐2 ( ๐ฆโฒ = ๐โ๐ 2 โ ๐ฅ 2 ) ๐ โ๐๐ฅ ๐โ๐ 2 โ ๐ฅ 2 ๐ฆโฒ = โ๐๐ฅ ๐ฆ โฒโฒ = โ ๐โ๐ 2 โ ๐ฅ 2 ๐โ๐ 2 โ ๐ฅ 2 (โ๐) โ (โ๐๐ฅ)(๐) ( ๐ฆ โฒโฒ = [๐โ๐ 2 โ ๐ฅ 2 ] โ๐๐โ๐ 2 โ ๐ฅ 2 + ๐๐๐ฅ ( ๐ฆ โฒโฒ = โ2๐ฅ ) 2โ๐ 2 โ ๐ฅ 2 2 โ๐ฅ ) โ ๐ฅ2 (๐ 2 ๐๐ โ ๐ฅ 2 )3/2 Since, ๐ ๐๐๐ ๐ are constants, rewrite ๐ฆโฒโฒ so that we can use POWER FORMULA instead of QUOTIENT RULE in finding ๐ฆ โฒโฒโฒ . โ๐ 2 ๐ 2 (๐2 โ ๐ฅ 2 ) โ๐๐ [๐ 2 โ ๐ฅ 2 + ๐ฅ 2 ] 2 โ ๐ฅ2 โ๐ ๐ฆ โฒโฒ = ๐ 2 (๐ 2 โ ๐ฅ 2 ) ๐ฆ โฒโฒ = โ ๐ฆ โฒโฒ = โ ๐๐(๐ 2 ) 5 3 ๐ฆ โฒโฒโฒ = โ๐๐ (โ ) (๐ 2 โ ๐ฅ 2 )โ2 (โ2๐ฅ) 2 ๐ฆ โฒโฒโฒ = ๐ 2 (๐2 โ ๐ฅ 2 )โ๐ 2 โ ๐ฅ 2 (๐ 2 ๐ฆ โฒโฒ = โ๐๐(๐ 2 โ ๐ฅ 2 )โ3/2 โ3๐๐๐ฅ (๐ 2 โ ๐ฅ 2 )5/2 ๐๐ โ ๐ฅ 2 )3/2 PRACTICE PROBLEMS TO WORKOUT! MASTERY TEST. Find the second and third โ order derivative of the function. 1 1. ๐ฆ = 3 ๐ฅ 3 โ 2๐ฅ 2 + ๐ฅ โ 10 2. ๐ฆ = 5๐ ๐ฅ 3. ๐ฆ = โ4 โ ๐ฅ 2 ๐ฅ2 4. ๐ฆ = ๐ฅ+1 5. ๐ฅ 2 + ๐ฆ 2 = 1 ANSWER TO MASTERY TEST: ANSWER TO MASTERY TEST: Second โ Order Derivative. Third โ Order Derivative. 1. ๐ฆ โฒโฒ = 2(๐ฅ โ 2) 2. ๐ฆ โฒโฒ = 5๐ ๐ฅ 4 3. ๐ฆ โฒโฒ = โ (4โ๐ฅ2 )3/2 2 1. ๐ฆ โฒโฒโฒ = 2 2. ๐ฆ โฒโฒโฒ = 5๐ ๐ฅ 12๐ฅ 3. ๐ฆ โฒโฒโฒ = โ (4โ๐ฅ2 )5/2 โ6 4. ๐ฆ โฒโฒ = (๐ฅ+1)3 4. ๐ฆ โฒโฒโฒ = (๐ฅ+1)4 1 5. ๐ฆ โฒโฒ = โ (1โ๐ฅ2 )3/2 3๐ฅ 5. ๐ฆ โฒโฒโฒ = โ (1โ๐ฅ2 )5/2 *****END OF DISCUSSION***** ANSWER TO MASTERY TEST 1. 0 2. 0 3. 0 4. โโ 5. โโ 6. +โ 7. 0 8. โ 2 9. โโ 10. โ1 11. โโ 12. โ1 5