\[\newcommand{\N}{\mathbb N} \newcommand{\Z}{\mathbb Z} \newcommand{\Q}{\mathbb Q} \newcommand{\R}{\mathbb R} \newcommand{\C}{\mathbb C} \newcommand{\ba}{\mathbf{a}} \newcommand{\bb}{\mathbf{b}} \newcommand{\bc}{\mathbf{c}} \newcommand{\bd}{\mathbf{d}} \newcommand{\be}{\mathbf{e}} \newcommand{\bff}{\mathbf{f}} \newcommand{\bh}{\mathbf{h}} \newcommand{\bi}{\mathbf{i}} \newcommand{\bj}{\mathbf{j}} \newcommand{\bk}{\mathbf{k}} \newcommand{\bN}{\mathbf{N}} \newcommand{\bn}{\mathbf{n}} \newcommand{\bo}{\mathbf{0}} \newcommand{\bp}{\mathbf{p}} \newcommand{\bq}{\mathbf{q}} \newcommand{\br}{\mathbf{r}} \newcommand{\bs}{\mathbf{s}} \newcommand{\bT}{\mathbf{T}} \newcommand{\bu}{\mathbf{u}} \newcommand{\bv}{\mathbf{v}} \newcommand{\bw}{\mathbf{w}} \newcommand{\bx}{\mathbf{x}} \newcommand{\by}{\mathbf{y}} \newcommand{\bz}{\mathbf{z}} \newcommand{\bzero}{\mathbf{0}} \newcommand{\nv}{\mathbf{0}} \newcommand{\cA}{\mathcal{A}} \newcommand{\cB}{\mathcal{B}} \newcommand{\cC}{\mathcal{C}} \newcommand{\cD}{\mathcal{D}} \newcommand{\cE}{\mathcal{E}} \newcommand{\cF}{\mathcal{F}} \newcommand{\cG}{\mathcal{G}} \newcommand{\cH}{\mathcal{H}} \newcommand{\cI}{\mathcal{I}} \newcommand{\cJ}{\mathcal{J}} \newcommand{\cK}{\mathcal{K}} \newcommand{\cL}{\mathcal{L}} \newcommand{\cM}{\mathcal{M}} \newcommand{\cN}{\mathcal{N}} \newcommand{\cO}{\mathcal{O}} \newcommand{\cP}{\mathcal{P}} \newcommand{\cQ}{\mathcal{Q}} \newcommand{\cR}{\mathcal{R}} \newcommand{\cS}{\mathcal{S}} \newcommand{\cT}{\mathcal{T}} \newcommand{\cU}{\mathcal{U}} \newcommand{\cV}{\mathcal{V}} \newcommand{\cW}{\mathcal{W}} \newcommand{\cX}{\mathcal{X}} \newcommand{\cY}{\mathcal{Y}} \newcommand{\cZ}{\mathcal{Z}} \newcommand{\rA}{\mathrm{A}} \newcommand{\rB}{\mathrm{B}} \newcommand{\rC}{\mathrm{C}} \newcommand{\rD}{\mathrm{D}} \newcommand{\rE}{\mathrm{E}} \newcommand{\rF}{\mathrm{F}} \newcommand{\rG}{\mathrm{G}} \newcommand{\rH}{\mathrm{H}} \newcommand{\rI}{\mathrm{I}} \newcommand{\rJ}{\mathrm{J}} \newcommand{\rK}{\mathrm{K}} \newcommand{\rL}{\mathrm{L}} \newcommand{\rM}{\mathrm{M}} \newcommand{\rN}{\mathrm{N}} \newcommand{\rO}{\mathrm{O}} \newcommand{\rP}{\mathrm{P}} \newcommand{\rQ}{\mathrm{Q}} \newcommand{\rR}{\mathrm{R}} \newcommand{\rS}{\mathrm{S}} \newcommand{\rT}{\mathrm{T}} \newcommand{\rU}{\mathrm{U}} \newcommand{\rV}{\mathrm{V}} \newcommand{\rW}{\mathrm{W}} \newcommand{\rX}{\mathrm{X}} \newcommand{\rY}{\mathrm{Y}} \newcommand{\rZ}{\mathrm{Z}} \newcommand{\pv}{\overline} \newcommand{\iu}{\mathrm{i}} \newcommand{\ju}{\mathrm{j}} \newcommand{\im}{\mathrm{i}} \newcommand{\e}{\mathrm{e}} \newcommand{\real}{\operatorname{Re}} \newcommand{\imag}{\operatorname{Im}} \newcommand{\Arg}{\operatorname{Arg}} \newcommand{\Ln}{\operatorname{Ln}} \DeclareMathOperator*{\res}{res} \newcommand{\re}{\operatorname{Re}} \newcommand{\im}{\operatorname{Im}} \newcommand{\arsinh}{\operatorname{ar\,sinh}} \newcommand{\arcosh}{\operatorname{ar\,cosh}} \newcommand{\artanh}{\operatorname{ar\,tanh}} \newcommand{\sgn}{\operatorname{sgn}} \newcommand{\diag}{\operatorname{diag}} \newcommand{\proj}{\operatorname{proj}} \newcommand{\rref}{\operatorname{rref}} \newcommand{\rank}{\operatorname{rank}} \newcommand{\Span}{\operatorname{span}} \newcommand{\vir}{\operatorname{span}} \renewcommand{\dim}{\operatorname{dim}} \newcommand{\alg}{\operatorname{alg}} \newcommand{\geom}{\operatorname{geom}} \newcommand{\id}{\operatorname{id}} \newcommand{\norm}[1]{\lVert #1 \rVert} \newcommand{\tp}[1]{#1^{\top}} \renewcommand{\d}{\mathrm{d}} \newcommand{\sij}[2]{\bigg/_{\mspace{-15mu}#1}^{\,#2}} \newcommand{\abs}[1]{\lvert#1\rvert} \newcommand{\pysty}[1]{\left[\begin{array}{@{}r@{}}#1\end{array}\right]} \newcommand{\piste}{\cdot} \newcommand{\qedhere}{} \newcommand{\taumatrix}[1]{\left[\!\!#1\!\!\right]} \newenvironment{augmatrix}[1]{\left[\begin{array}{#1}}{\end{array}\right]} \newenvironment{vaugmatrix}[1]{\left|\begin{array}{#1}}{\end{array}\right|} \newcommand{\trans}{\mathrm{T}} \newcommand{\EUR}{\text{\unicode{0x20AC}}} \newcommand{\SI}[3][]{#2\,\mathrm{#3}} \newcommand{\si}[2][]{\mathrm{#2}} \newcommand{\num}[2][]{#2} \newcommand{\ang}[2][]{#2^{\circ}} \newcommand{\meter}{m} \newcommand{\metre}{\meter} \newcommand{\kilo}{k} \newcommand{\kilogram}{kg} \newcommand{\gram}{g} \newcommand{\squared}{^2} \newcommand{\cubed}{^3} \newcommand{\minute}{min} \newcommand{\hour}{h} \newcommand{\second}{s} \newcommand{\degreeCelsius}{^{\circ}C} \newcommand{\per}{/} \newcommand{\centi}{c} \newcommand{\milli}{m} \newcommand{\deci}{d} \newcommand{\percent}{\%} \newcommand{\Var}{\operatorname{Var}} \newcommand{\Cov}{\operatorname{Cov}} \newcommand{\Corr}{\operatorname{Corr}} \newcommand{\Tasd}{\operatorname{Tasd}} \newcommand{\Ber}{\operatorname{Ber}} \newcommand{\Bin}{\operatorname{Bin}} \newcommand{\Geom}{\operatorname{Geom}} \newcommand{\Poi}{\operatorname{Poi}} \newcommand{\Hyperg}{\operatorname{Hyperg}} \newcommand{\Tas}{\operatorname{Tas}} \newcommand{\Exp}{\operatorname{Exp}} \newcommand{\tdist}{\operatorname{t}} \newcommand{\rd}{\mathrm{d}}\]

Korkeammat derivaatat

Jos derivoituvan funktion \(f\) derivaatta \(f'\) on sekin derivoituva, niin derivaattaa \(D(f'(x))\) kutsutaan funktion \(f\) toiseksi derivaataksi ja merkitään

\[f''(x)=f^{(2)}(x)=D(f'(x)).\]

Vastaavasti määritellään \(f\):n kolmas derivaatta

\[f^{(3)}(x)=D(f''(x)),\]

ja yleisesti \(n\):s derivaatta

\[f^{(n)}(x)=D(f^{(n-1)}(x)).\]

Huomaa, että korkeampien derivaattojen numerolla tai kirjaimella \(n\) esitetty yläindeksimerkintä laitetaan aina sulkuihin erotukseksi potenssiin korotuksesta.

Esimerkki 5.7.1

Lasketaan funktion \(f(x)=x^3+x^{3/2}\) neljä ensimmäistä derivaattaa.

\[\begin{split}\begin{aligned} f'(x)&=3x^2+\frac32x^{1/2}\\ f''(x)&=6x+\frac34x^{-1/2}\\ f^{(3)}(x)&=6-\frac38x^{-3/2}\\ f^{(4)}(x)&=\frac{9}{16}x^{-5/2} \end{aligned}\end{split}\]

Korkeampia derivaattoja käytetään esimerkiksi funktion approksimointiin Taylorin polynomeilla, jotka parantavat lineaarista approksimaatiota. Toisen derivaatan avulla voidaan lisäksi tutkia derivaattafunktion kulkua ja tehdä tarkempia päätelmiä myös funktion \(f\) käyttäytymisestä.

Lause 5.7.2

Olkoon \(f\) kahdesti derivoituva välillä \((a,b)\) ja olkoon välin \((a,b)\) piste \(c\) funktion \(f\) kriittinen piste, eli \(f'(c)=0\).

  1. Jos \(f''(x)>0\) välillä \((a,b)\), niin \(c\) on funktion \(f\) lokaali minimipiste.
  2. Jos \(f''(x)<0\) välillä \((a,b)\), niin \(c\) on funktion \(f\) lokaali maksimipiste.
Piilota/näytä todistus
Jos \(f''(x)>0\), niin lauseen 5.6.14 nojalla funktio \(f'\) on aidosti kasvava välillä \((a,b)\). Tämän vuoksi sen merkin on vaihduttava negatiivisesta positiiviseksi pisteessä \(c\), ja \(c\) on funktion \(f\) lokaali minimipiste. Tapaus \(f''(x)<0\) todistuu vastaavasti.

Esimerkki 5.7.3

Esimerkin 5.6.15 funktion \(f(x)=x^3-3x+1\) derivaatalla \(f'(x)=3x^2-3\) on nollakohdat pisteissä \(\pm 1\). Toinen derivaatta \(f''(x)=6x\) on negatiivinen pisteen \(-1\) ja positiivinen pisteen \(1\) ympäristössä, joten funktiolla \(f\) on pisteissä \(-1\) ja \(1\) lokaalit maksimi- ja minimipisteet.

Määritelmä 5.7.4

Kahdesti derivoituva funktio \(f\) on välillä \((a,b)\) alaspäin kupera eli konveksi (convex function), jos \(f''(x)>0\) ja ylöspäin kupera eli konkaavi (concave function), jos \(f''(x)<0\). Pistettä \(x\), jossa kuperuussuunta eli toisen derivaatan merkki muuttuu, kutsutaan käännepisteeksi (inflection point).

Alaspäin kovera funktion \(f\) kuvaaja kaareutuu aina ylöspäin ja funktion kuvaaja on minkä tahansa tangenttisuoransa yläpuolella, sillä \(f'\) on kasvava funktio. Vastaavasti ylöspäin kuperan funktion derivaatta on vähenevä, joten funktion kuvaaja kaareutuu alaspäin ja funktion kuvaaja on minkä tahansa tangenttisuoransa alapuolella.

../_images/derivaattakonkaavitsuunnat.svg

Esitellään seuraavaksi hyvä muistisääntö siihen, miten toisen derivaatan merkki vaikuttaa ääriarvon laatuun. Funktion kuvaajan ääriarvokohdan paikalle kannattaa kuvitella kasvot, jonka suun funktion kuvaaja muodostaa. Jos toinen derivaatta on positiivinen, nostaa se hymyn kasvoille ja tällöin kuvaajassa on lokaali minimipiste. Negatiivinen toinen derivaatta saa puolestaan suunpielet alaspäin, eli kuvaajaan muodostuu lokaali maksimipiste.

Esimerkki 5.7.5

Tarkastellaan funktiota \(f(x)=\sin x\) välillä \((-\pi,\pi)\). Nyt \(f'(x)=\cos x\) ja \(f''(x)=-\sin x\). Toisen derivaatan arvo pisteessä \(0\) on \(f''(0) = 0\), ja samalla \(f''\) vaihtaa merkkiä. Piste \(0\) on siis funktion \(f\) käännepiste, jossa funktio muuttuu alaspäin kuperasta ylöspäin kuperaksi.

../_images/derivaattasinikuvaaja.svg
Jos toisen asteen polynomi on kupera ylöspäin, niin sen kuvaaja on paraabeli, joka
Kaikki kriittiset pisteet eivät ole ääriarvopisteitä, joten voidaan sanoa, että \(f'(x)=0\) ei ole riittävä ehto ääriarvon olemassaololle pisteessä \(x\). Toisaalta ehto \(f'(x)=0\) ei ole myöskään välttämätön, sillä ääriarvoja voidaan saada myös määrittelyvälin päätepisteissä. Onko \(f''(x)=0\) välttämätön tai riittävä ehto jatkuvan funktion kuperuuden suunnan muuttumiselle eli käännepisteen olemassaololle pisteessä \(x\)? Vihje: \(x^4\).
Jos piste \(x=a\) on funktion \(f\) käännepiste, niin pisteeseen \((a, f(a))\) piirretty tangenttisuora
Palautusta lähetetään...