当前课程知识点:微积分(先修课) > 第三章 导数与微分 > 3.4 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法 > 3.4.1 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
同学们 大家好
欢迎来到大学先修课
微积分课程
今天我们介绍
第三章 导数与微分
第四节
几种特殊函数的求导法
在求导问题中
除了初等函数外
我们还会遇到简单的非初等函数
像隐函数
参数方程确定的函数
都是简单的初等函数
有时我们为了简化计算过程
减少错误
也可以先经过变形
再进行求导
在这一讲中
我们将介绍隐函数
和参数方程确定的函数
他们的求导方法
并介绍利用对数函数的性质
化简求导运算的问题
首先我们看一下
什么叫做隐函数
我们假设变量x y满足等式
f(x,y)等于0
如果存在非空实数集I
对I中的任意一个实数x0
我们都存在唯一的一个实数y0
使得x0 y0满足这个等式
f(x0,y0)等于0
那么根据函数的定义
我们就知道
我们定义了一个非空实数集I上的函数
这个函数就称为是等式
f(x,y)等于0
确定的I上的一个隐函数
下面我们来看一下
隐函数的求导方法
因为隐函数的存在性
以及隐函数的性质
都需要利用多元函数的概念进行刻画
所以在一元函数微积分中
我们只是处理一些具体的隐函数问题
我们通过几个具体的例子来介绍一下
隐函数的求导方法
第一个例题
我们假设y等于y(x)由方程
x等于y加上1/2倍的siny确定
我们求y关于x的导数
我们将这个等式两端
理解成是自变量x的函数
y看成是中间变量
那么在等式两端关于x求导
我们就得到
等式的左端关于x求导是1
而右端关于x求导
第一项就是y关于x的导数
第二项是一个简单的复合函数求导
它的结果是1/2倍的cosy
再乘上y关于x的导数
这样我们就得到了我们要求的导数
满足的一个方程
而且这个方程关于我们要求的导数
是一个一次方程
所以我们就得到了我们要求的导数是
1加上1/2倍的cosy分之一
下面我们看第二个例题
我们假设函数y等于y(x)满足方程
e的x乘y次方加上tanxy等于y
我们求这个函数
在x等于0这一点处的导数
同样我们将方程的两端看成是x的函数
y当做是中间变量
那么等式两端关于x求导
右边的导数就是y关于x的导数
而左边看作是两个函数求和再求导
第一个函数是e的x乘y次方
这是关于x的一个简单复合函数
根据复合函数的链导法则
我们就可以求得他的导数
第二个函数是tanxy
这仍然是一个关于x的复合函数
我们同样可以利用复合函数的链导法则
得到他的导数
这样我们就得到了
y关于x的导数满足的一个方程
这个方程仍然是
y关于x的导数的一个一次方程
这样我们就可以把要求的导数求出来
在这个问题中
我们要求的
是导数在x等于0这点的值
我们知道
隐函数的导数
除了与自变量有关以外
一般的
他应该与函数值也是有关系的
所以我们首先应该求出
在x等于0时
他对应的函数值是什么
我们将x等于0代入原来的方程
我们就会得到
隐函数在x等于0的函数值是等于1的
我们将x等于0 y等于1代入
导函数满足的方程
我们就会得到
导数在x等于0是的值是等于2的
这样我们就求得了我们要求的导数值
下面我们看第三道例题
我们假设函数y等于y(x)
满足下面这个方程
也就是e的y次方
减掉e的负x次方加上x乘y等于0
我们求曲线y等于y(x)
在(0,y(0))这点处的
切线方程与法线方程
我们将等式两端看成是x的函数
y看作是中间变量
那么两端关于x求导
我们就得到右边的导数是0
而左端
第一项是一个简单复合函数
他的导数就是e的y次方
乘上y关于x的导数
第二项也是一个简单的复合函数
他求完导之后就是加上e的负x次方
第三项可以看做是
两个函数相乘进行求导
他的结果是
y加上x乘上y关于x的导数
我们将x等于0带入原来的等式
就会得到y(x)在x等于0这点的值
也是等于0的
我们进一步
将x等于0和y(0)等0
代入一阶导数满足的方程
就会得到一阶导
在x等于0这点的值是等于负1的
这样我们知道切点是原点
切线的斜率是等于负1
所以我们就得到了
切线方程是y等于负x
根据法线的定义
我们也就知道
他的法线方程就是y等于x
接下来我们来看一下第四道例题
我们设抛物线y方
等于2倍的px它的焦点是F
点A它的坐标是(a,b)
其中a大于0
b它的绝对值是小于根号下2pa
我们证明抛物线上的点B
它的法线是平分角ABF的
这个题目我们要证的结论
实际上
是抛物线的一个基本性质
从几何上看
也就是
从焦点出发的光线
通过抛物线反射之后
他一定是平行于x轴的
或者说
平行于x轴的光线
通过抛物线反射之后
他一定是经过焦点的
下面我们来看一下这个结论的证明
我们将抛物线方程写成
2倍的px减掉y方等于0
在这个等式两端
我们微分
利用一阶微分形式的不变性
我们就得到
2倍的p乘上dx减掉
2倍的y乘上dy是等于0的
根据前面我们介绍的微分的几何意义
我们知道
以dx dy做分量的的向量
是平行于曲线在这点的切线的
那么这个等式
我们可以看作是
两个向量他的点积等于0
其中一个向量
就是切线在这点的
切向量(dx,dy)
而另外一个向量
应该就是曲线在这点的法向量
也就是说它的法向量
n就等于(p,-b)
那么我们要证的结论就是
要证明法向量与向量BA的夹角
和法向量与向量BF的夹角是相等的
我们知道向量BA是平行于x轴的
所以我们不妨就设
向量BA就是(1,0)
因为抛物线的
焦点坐标是(p/2,0)
那么B点的坐标我们也知道
所以向量BF我们就
可以得到它的两个分量
这样我们就得到了
法向量n与BA向量的点积是p
而BA向量的长度是等于1的
同样的
我们也得到了法向量与向量BF的点积
是等于二分之p方加b方
而向量BF的长度
是等于两倍p分之p方加b方
这样我们进一步就得到了
n与向量BA的点积
除上n的长度乘上BA向量的长度
它的绝对值就等于
p除上向量n的长度
我们类似的也能得到
向量n与BF的点积
除上这两个向量长度的乘积
它的绝对值
也等于p除上向量n的长度
根据向量点积的定义
我们知道
这两个值正好是
向量n与BA夹角的余弦
和向量n与BF夹角的余弦
因为这两个夹角都是锐角
所以说
他们的余弦相等
我们就知道
这两个角是相等的
这样我们就就证明了
抛物线上B点的法线
是平分于这个角ABF的
与抛物线的这个性质类似
关于椭圆
我们也有一个类似的结论
关于这个结论的证明
我们留给同学作为练习
也就是证明
椭圆上任意一点与两个焦点的连线
与椭圆在该点处的法线
所成的角是相等的
下面我们来看一下
对数求导法
所谓对数求导法
主要是处理两类特殊的的函数
一类函数就是多个因子做乘除的情况
另外一类函数
也就是所谓的幂指函数
我们先看第一种情况
如果函数y是等于m个因子相乘除上
n个因子相乘
在导数运算时
我们为了简化求导过程
可以在等式的两端取对数
这样原式就变成
y的自然对数就等于
m项相加减掉n项相加
我们把等式两端看成是x的函数
利用复合函数的链导法则
以及函数的和差积商的求导公式
我们就会得到
1/y乘上y关于x的导数
是等于这m项相加
再减掉这n项相加
这样我们把y乘到等式的右端
就会得到
我们要求的导数它的表达式
这是我们处理
多个因子乘除时的求导问题时
经常采用的方法
这种方法
就把乘除函数的导数转化成了
和差函数的求导运算
就简化了我们的求导过程
对幂指函数的导数
我们也是在等式两端取对数
这样我们就把原式变成
y的自然对数
等于g(x)乘上
f(x)的自然对数
在等式两端关于x求导
y当做是中间变量
我们就会得到
左端是1/y乘上y关于x的导数
右端利用两个函数相乘的导数公式
以及复合函数的链导法则
我们就会得到右端导数的表达式
我们将y乘到等式的右端
就会得出我们要求的导数的表达式
对于我们刚刚介绍的
关于多个因子相乘除时
它的求导方法
以及幂指函数的求导方法
我们统称为是对数求导法
在这需要跟大家强调的是
我们在前面取对数时
没有讨论取对数的数
是大于0还是小于0
原因是
在x大于0时
我们知道自然对数
lnx的导数是1/x
而在x小于0时利用复合函数的链导法
我们也能得到负x的自然对数
他的导数还是等于1/x
也就是说无论我们是否取绝对值符号
我们都知道x绝对值的自然对数
他的导数是等于1/x的
那么从求导运算这个角度来讲
无论我们取不取绝对值
我们最后的导数形式
或者是导数结果都是一样的
所以在对数求导法时
我们一般不对取对数的量
讨论它大于0还是小于0
下面我们看几道例题
第五个例题
我们求y等于x的x次方的导数
我们对原式取对数
就会得到lny等于x乘lnx方
两边关于x求导
就会得到
1/y乘上y关于x的导数
等于lnx再加上1
我们最后就得到了
y关于x的导数就等于
x的x次方乘上括号里面lnx加1
我们看下面一道例题
例六 我们求函数
y等于x的x平方次方的导数
我们在两端取对数
就会得到y的自然对数
等于x平方乘以x的自然对数
在这个等式的两端
我们关于x求导
就会得到
1/y乘上y关于x的导数等于
2倍的x乘上lnx加上x
这样我们就得到了要求的
y关于x的导数的表达式
我们看一下第七道例题
我们求下面这个函数的导数
这个函数的表达式
是y等于三次根下x减1乘上x减2
再除以x减3乘上x减4
这是由多个因子做乘除的
这样的函数表达形式
所以我们在这个等式的两端先取对数
就得到了y的自然对数
应该是由四项做加减得出来的
在这个等式的两端
关于x求导
我们就会得到
1/y乘上y关于x的导数就等于
三分之一倍的括号里面分别是
x减1分之1加上x减2分之一
减掉x减3分之1
再减掉x减4分之1
这样我们就得到了y关于x的导数
他的表达式
下面我们来看第八个例题
我们假设y等于y(x)
由下面这个方程确定
这个方程是
x的y的平方次方加上y的平方
乘上x的自然对数
再加上4等于0
我们来求y关于x的导数
请大家注意
在这个方程中
第一项应该是一个幂指函数
我们先求一下
这个幂指函数关于x的导数
我们记z等于x的y的平方次方
两边取对数
就得到z的自然对数就等于
y的平方乘上lnx
这样我们两边求导就会得到
1/z乘上z关于x的导数
它的表达式
进一步我们就得到了
z关于x的导数的表达式
这样我们就先处理了
x的y平方次方关于x求导
它的表达式
接下来
我们在原来方程的两端
关于x求导
我们就会得到下面这个方程
我们对这个方程进行化简
我们就能得到这个方程是等价于
2倍的y乘上y的导数
再乘lnx加上x分之y的平方等于0
所以我们要求的导数就等于
负的y除上2倍x乘上lnx
下面我们来介绍一下
第三类特殊函数的求导方法
也就是参数方程确定的函数
是如何求导的
我们先看我们的问题是什么
我们假设变量x y都是参数t的函数
也就是x等于x(t)
y等于y(t)
如果x等于x(t)这个函数
存在反函数
也就是t等于t(x)
我们知道当x给定时
就会有唯一的t的值与它对应
这样也就进一步得到了唯一的y的值
所以这时
我们就定义了一个从变量x
到变量y的新的函数
y等于f(x)
所谓参数方程确定的函数求导
就是说利用原来x和y与参数的关系
怎么样得到y关于x的导数
当y(t)和x(t)都可导时
根据复合函数的链导法则
与我们前面介绍的
反函数的求导公式
我们就知道
y关于x的导数
也就等于y(t)关于t的导数
再乘上t关于x的导数
而t关于x的导数
应该就等于x关于t导数的倒数
所以我们最后的结果
就是y关于x的导数就等于
y关于t的导数除以x关于t的导数
这就是由上面的参数方程确定的函数
它的求导公式
下面我们看两道具体的例题
例九
我们假设x等于t的平方加7
y等于t的平方加4倍的t加1
我们求这个参数方程确定的函数
它的图像
在对应于t等于1这一点的切线方程
当t等于1时我们能求出
x是等于8
y是等于6的
这就是我们要求切线方程对应的切点
而且根据参数方程确定的函数
它的求导公式
我们知道
y关于x的导数就等于
y关于t的导数除上x关于t的导数
也就等于2倍的t加4除上2倍的t
所以在t等于1时
它对应的导数值应该是等于3
这就是我们要求的切线的斜率
有了切点和斜率
我们就得到了要求的切线方程是
3倍的x减掉y减18等于0
下面我们看最后一道例题
我们求心形线ρ等于1加cosθ
在θ等于π/4
对应的点处它的切线和法线方程
我们知道
所谓导数是切线的斜率
这个指的是y关于x的导数
是切线的斜率
在这个题目中
我们的曲线方程是极坐标形式
所以
我们就利用直角坐标与极坐标的关系
得到下面的参数方程
由这个参数方程出发
我们就得到了
y关于x的导数
它的表达式
我们将θ等于π/4代到参数方程中
就会得到
我们的切点它的坐标
切点的横坐标
和纵坐标都是二分之1加根下2
同样我们把θ等于π/4代到
y关于x导数的表达式中
就会得到切线的斜率是1减根下2
有了切点
有了斜率
所以我们求的切线方程就是
y等于1减根下2乘上x
再加上1加上2分之根下2
我们要求的法线方程就是
y等于1加上根下2乘上x
减掉1减掉2分之根下2
在这一讲中
我们介绍了隐函数
参数方程确定的函数
他们的求导方法
隐函数求导
就是根据函数相等
那么导数一定相等的性质
利用导数的四则运算法则
和复合函数的链导法则
对等式两端求导
得到我们要求的导数满足的一次方程
参数方程确定的函数
它的导数公式
就是利用复合函数和反函数的求导公式
得到的
而对数求导法
主要处理的就是幂指函数
多个因子乘除得到的函数
他们的导数问题
在对具体函数求导时
我们要根据函数的特点
选取合适的方法
正确的应用相应的求导法则
下一讲中将介绍
高阶导数的相关内容
谢谢同学们
下一讲 再见
-0.1 绪论
--0.1.1 绪论
-1.1 极限概念引例
--第1.1节测试 极限概念引例
-1.2 极限的概念
--第1.2节测试 极限的概念
-1.3 极限的性质
--第1.3节测试 极限的性质
-1.4 极限的运算
--第1.4节测试 极限的运算
-1.5 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(1) 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(2) 夹逼定理与单调有界收敛定理
-1.6 两个重要的极限
--第1.6节测试 两个重要的极限
-1.7 无穷小量
--第1.7节测试 无穷小量
-2.1 连续函数的概念
--第2.1节测试 连续函数的概念
-2.2. 初等函数的连续性结论
--第2.2节测试 初等函数的连续性结论
-2.3 连续函数的性质
--第2.3节测试 连续函数的性质
-3.1 导数与导函数
--第3.1节测试 导数与导函数
-3.2 微分
--3.2.1 微分
--第3.2节测试 微分
-3.3 导数的运算
--第3.3节测试 导数的运算
-3.4 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--3.4.1 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--第3.4节测试 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
-3.5 高阶导数
--第3.5节测试 高阶导数
-4.1 极值和极值点
--第4.1节测试 极值和极值点
-4.2 微分中值定理
--第4.2节测试 微分中值定理
-4.3 洛必达法则
--第4.3节测试(1) 洛必达法则
--第4.3节测试(2) 洛必达法则
-4.4 函数单调性的判定
--第4.4节测试 函数单调性的判断
-4.5 函数的极值及其求法
--第4.5节测试 函数的极值及其求法
-4.6 函数的最值及其应用
--第4.6节测试 函数的最值及其应用
-4.7 曲线的凸性和拐点
--第4.7节测试 函数的凸性和拐点
-4.8 曲线的渐近线
--第4.8节测试 曲线的渐近线
-4.9 泰勒(Taylor)公式
--第4.9节测试 泰勒公式
-4.10 原函数与微分方程初步
--第4.10节测试 原函数与微分方程初步
-5.1 定积分问题举例
-5.2 定积分的概念
--第5.2节测试 定积分的概念
-5.3 定积分的基本性质
--第5.3节测试 定积分的性质
-5.4 微积分基本定理
--第5.4节测试 微积分基本定理
-5.5 定积分的几何应用
--第5.5节测试 定积分的几何应用
-5.6 定积分的物理应用
-6.1 换元积分法
--第6.1节测试 换元积分法
-6.2 分部积分法
--第6.2节测试 分部积分法
-6.3 有理函数的积分法
--第6.3节测试 有理函数的积分法
-6.4 定积分应用举例
--第6.4节测试 定积分应用举例
-6.5 反常积分
--第6.5节测试 反常积分
-7.1 无穷级数
--第7.1节测试 无穷级数
-7.2 正项级数
-7.3 比值判敛法和根式判敛法
--第7.3节测试 比值判敛法和根式判敛法
-7.4 一般项级数
--第7.4节测试 一般项级数
-7.5 幂级数
-7.6 函数的幂级数
--第7.6节测试 函数的幂级数
-7.7 泰勒级数
--第7.7节测试 泰勒级数
-7.8 幂级数的简单应用
-8.1 一阶可求解常微分方程
--第8.1节测试 一阶可求解常微分方程
-8.2 一阶线性微分方程
--第8.2节测试 一阶线性微分方程
-8.3 二阶线性常系数微分方程
--第8.3节测试 二阶线性常系数微分方程
-8.4 常系数微分方程简单应用举例
-期末考试
--期末考试说明
-期末考试--期末考试