第五节 隐函数及参数方程的求 导方法、高阶导数
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第三模块 函数的微分学. 第五节 隐函数及参数方程的求 导方法、高阶导数. 一、隐函数的微分法. 二、由参数方程所确定的函数的微分法. 三、对数微分法. 四、高阶导数. 一、隐函数的微分法. 例 1 设方程 x 2 + y 2 = R 2 ( R 为常数 ) 确定函数 y = y ( x ) , . 解 在方程两边求微分,. d( x 2 + y 2 ) = d R 2 ,. 即. 2 x d x + 2 y d y = 0. 由此,当 y 0 时解得. 或. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
第五节 隐函数及参数方程的求 导方法、高阶导数第五节 隐函数及参数方程的求 导方法、高阶导数一、隐函数的微分法一、隐函数的微分法二、由参数方程所确定的函数的微分法二、由参数方程所确定的函数的微分法
第三模块 函数的微分学第三模块 函数的微分学
三、对数微分法三、对数微分法四、高阶导数四、高阶导数
一、隐函数的微分法一、隐函数的微分法 例 1 设方程 x2 + y2 = R2(R 为常数 ) 确定函数 y = y(x) , .
d
d
x
y求
解 在方程两边求微分,d(x2 + y2 ) = dR2 ,
即 2xdx + 2ydy = 0.
由此,当 y 0 时解得
,y
x
x
y
d
d
或 .y
xyx
例 2 设方程 y + x – exy = 0 确定了函数 y = y(x) ,.xy求
解 方程两边求微分,得d(y + x – exy) = d0 ,
即 dy + dx - dexy = 0 ,dy + dx – exy(xdy + ydx ) = 0.
当 1 - xexy 0 时,解得
,xy
xy
x
y
x
y
e1
1e
d
d
即 .e1
1exy
xy
x x
yy
例 3 求曲线 x2 + y4 = 17 在 x = 4 处对应于曲线上的点的切线方程 .
解 方程两边求微分,得2xdx + 4y3dy = 0 ,
得).0(
2d
d3
yy
x
x
y
即对应于 x = 4 有两个纵坐标,这就是说曲线上有两个点 P1(4, 1) 和 P2(4, - 1).
将 x = 4 代入方程,得 y = 1.
在 P1 处的切线斜率 y|(4,1)= - 2 ,
y – 1 = - 2(x - 4) 即 y + 2x – 9 = 0
在点 P2 处的切线方程为
y + 1 = 2(x - 4) ,即 y - 2x + 9 = 0
在 P2 处切线的斜
率 y|(4, - 1) = 2. 所以,在点 P1 处的切线方程为
补证反三角函数的导数公式:设 y = arcsin x ,则 x = sin y ,两边对 x 求微分,得
dx = cos ydy ,
.cos
1
yy
时,因为22
y≤ ≤ cos y 取正号,
.1sin1cos 22 xyy 所以
.1
1)(arcsin
2xx
二、由参数方程所确定的 函数的微分法二、由参数方程所确定的 函数的微分法参数方程,它的一般形式为
. )(
)(It
tfy
tx区间
,,
对方程 ② 两边求微分,得
①②
dy = f (t)dt ,同样对方程 ① 两边求微分,得
dx = (t)dt ,
③
④
得④③
,d)(
d)(
d
d
tt
ttf
x
y
即
.)(
)(
t
tfyx
例 4 设 参 数 方程
tby
tax
sin
cos , ( 椭圆方程 ) 确定了函数 y = y
(x) , .d
d
x
y求
解 dx = - a sin tdt ,
dy = bcos tdt ,所以
.cotdsin
dcos
d
dt
a
b
tta
ttb
x
y
3
t解 与 对应的曲线上的点为 ,
2
1,
2
3
3
aaP
dy = asin t dt ,
dx = a(1 – cos t)dt ,
例 5 求摆线 (a 为常数 ) 在对应
于 时曲线上点的切线方程 .
)cos1(
)sin(
tay
ttax ,
3
t
点 P 处的切线方程为
. 2
3
33
2
1
aaxay
所以
. 3d
d,
cos1
sin
d
d
3
π
tx
y
t
t
x
y
例 6 设炮弹与地平线成 角,初速为 v 射出,如果不计空气阻力,以发射点为原点, 地平线为 x
轴,过原点垂直 x 轴方向上的直线为 y 轴 ( 如图 ).由物理学知道它的运动方程为
.2
1sin
,cos2
0
0
gttvy
tvx
求 (1) 炮弹在时刻 t 时的速度大小与方向, (2) 如果中弹点与以射点同在一水平线上,求炮弹的射程 .
y
O x
中弹点
解 (1) 炮弹的水平方向速度为
.cosd
d0 v
t
xvx
炮弹的垂直方向速度为
,gtvt
yv y sin
d
d0
y
O x
中弹点Vx
Vy
所以,在 t 时炮弹速度的大小为
,220
20
22 sin2|| tggtvvvvv yx
它的位置是在 t 时所对应的点处的切线上,且沿炮弹的前进方向,其斜率为
(2) 令 y = 0 ,得中弹点所对应的时刻 ,g
vt
sin2 00
.2sin20
0
g
vx
t所以射程
.cos
sin
d
d
0
0
v
gtv
x
y
三、对数微分法三、对数微分法
解 两边取对数,得
, )]2ln()1ln()1ln(2[3
1ln xxxy
两边求微分,
x
xx
xx
xy
yd
2
1d
1
1d
1
12
3
1d
1
例 7 设 .,)2)(1(
)1( 2
yxx
xy
求3
所以
.2
1
1
1
1
2
3
1
d
d
xxxy
x
yy
.2
1
1
1
1
2
)2)(1(
)1(
3
13
2
xxxxx
x
例 8 设 y = (tan x)x ,求 y .
解 lny = xln(tan x) = x(lnsin x - lncos x)
xxxxxxyy
d)coslnsin(ln)coslnsin(lndd1
, d)coslnsin(lndcos
sind
sin
cosxxxx
x
xxx
x
xx
所以
x
xxxxxy
x
yy
cos
sinlntancot
d
d
).tanlntancot()(tan xxxxxx x
四、函数的高阶导数四、函数的高阶导数如果可以对函数 f(x) 的导函数 f (x) 再求导,
所得到的一个新函数,称为函数 y = f(x) 的二阶导数,
.d
d2
2
x
y记作 f (x) 或 y 或 如对二阶导数再求导,则
称三阶导数, .d
d3
3
x
y记作 f (x) 或 四阶或四阶以上导数
记为 y(4) , y(5) , · · · , y(n) ,d
d4
4
x
y,
d
dn
n
x
y或 · · · , 而把 f
(x) 称为 f (x) 的一阶导数 .
例 9 设 y = ex ,求 y(n).
y = ex , y = ex , · · · , y(n) = ex .解
例 10 设 y = ln(1 + x) . 求 y(0) , y(0) , y(0) , · · · , y(n)(0).
,x
y
1
1解
,21 )1)(1(])1[( xxy
;1)0( y
;1)0( y
,3)1)(2)(1( xy
;!2)2()1()0( y
,)1)(3)(2)(1( 4)4( xy
;!3)1()3)(2)(1()0( 3)4( y
,)1)](1([)3)(2)(1()( nn xny
)]1([)2)(1()0()( ny n
)!.1()1( 1 nn
例 11 设 y = sin x , .d
dn
n
x
y求
解 , 2
sincosd
d
xxx
y
, 2
2sin2
cosd
d2
2
xxx
y
, 2
3sin2
2cosd
d3
3
xxx
y
.
2sin
d
d
n
xx
yn
n
五、 高阶偏导数五、 高阶偏导数函数 z = f ( x , y ) 的两个偏导数
),,( yxfx
zx
),,( yxfy
zy
一般说来仍然是 x , y 的函数, 如果这两个函数关于 x , y 的偏导数也存在, 则称它们的偏导数是 f (x , y) 的二阶偏导数 .
依照对变量的不同求导次序, 二阶偏导数有四个:
x
z
xx
z
x2
2
x
z
),( yxf xx ;xxz
x
z
yx
z
y yx
z
2
),( yxf xy ;xyz
y
z
xy
z
x xy
z
2
),( yxf yx ;yxz
y
z
yy
z
y2
2
y
z
),( yxf yy .yyz
其中 及 称为二阶混合偏导数 .),( yxf xy ),( yxf yx
类似的,可以定义三阶、四阶、… 、 n 阶偏导数,
二阶及二阶以上的偏导数称为高阶偏导数,
),(
,),(
yxf y
yxf x而
称为函数 f ( x , y ) 的一阶偏导数 .
例 12
求函数 的所有二阶偏导数 .yxxyz sin2
解 ,sin2 yxyx
z
因为 ,cos2 yxxy
z
所以 2
2
x
z
)sin2( yxyx
,sin2 y
yx
z
2
)sin2( yxyy
,cos21 yx
2
2
y
z
)cos( 2 yxxy
,sin2 yx
xy
z
2
)cos( 2 yxxx
.cos21 yx
本例中 ,yx
z
2
xy
z
2
= 这不是偶然的, 有下述
定理:
定理 如果函数 z = f (x , y) 在区域 D 上两个二
阶混合偏导数 、 连续,yx
z
2
xy
z
2
则在区域 D 上
有
.22
xy
z
yx
z
即当二阶混合偏导数在区域 D 上连续时, 求导结果与求导次序无关, 证明从略 . 这个定理也适用于三元及三元以上的函数 .
例 13 ,arctanx
yz 设 试求
yx
z
2
xy
z
2
, .
解22
1
1
x
y
xyx
z
,
22 yx
y
x
xyy
z 1
1
12
,22 yx
x
22
2
yx
y
yyx
z
222
22
)(
)20()()()1(
yx
yyyx
,)( 222
22
yx
xy
22
2
yx
x
xxy
z
222
22
)(
)02()(1
yx
xxyx
,)( 222
22
yx
xy
.22
xy
z
yx
z
验证了
例 14
,e xyzu 设 .3
zyx
u
求
解 因为 ,e xyzyzx
u
)e(2
xyzyzyyx
u
)e( xyzy
yz
]ee[ xzyz xyzxyz
,e)1( xyzxyzz
所以
yx
u
zzyx
u 23
]e)1([ xyzxyzzz
xyzxyz e)1( xyzxyz e
xyxyzz xyz e)1(
.e)31( 222 xyzzyxxyz