知识点

隐函数求导

定义

若变量 yy 与 xx 的关系由方程

F(x,y)=0F(x,y)=0

给出,而不是写成 y=f(x)y=f(x) 的显式形式,则称 yy 是由该方程确定的隐函数。

例如 x2+y2=1x^2+y^2=1 在上半平面确定 y=1−x2y=\sqrt{1-x^2},在下半平面确定 y=−1−x2y=-\sqrt{1-x^2};但在求导时不必先解出 yy,可以直接对方程两边关于 xx 求导。

隐函数求导的前提是:在所讨论的点附近,方程确实确定了一个可导函数 y=y(x)y=y(x)。本页默认这一条件成立,具体的存在条件见隐函数的求导公式。

方法

  1. 对方程 F(x,y)=0F(x,y)=0 两边关于 xx 求导。
  2. 把 yy 看作 xx 的函数。对含 yy 的项使用链式法则,例如 ddx(y2)=2y⋅y′,ddx(sin⁡y)=cos⁡y⋅y′.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(y^2)=2y\cdot y',\qquad \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(\sin y)=\cos y\cdot y'.
  3. 把含 y′y' 的项移到一边,解出 y′y'。结果通常同时含有 xx 和 yy,这是正常的。

例子

圆 x2+y2=1x^2+y^2=1

两边对 xx 求导:

2x+2y⋅y′=0.2x+2y\cdot y'=0.

解出

y′=−xy(y≠0).y'=-\frac{x}{y}\quad (y\ne 0).

在点 (0,1)(0,1) 处 y′=0y'=0,切线水平;在点 (1,0)(1,0) 处切线竖直,y′y' 不存在。

ey+xy=1e^y+xy=1

两边对 xx 求导,注意 eye^y 与 xyxy 都要用链式法则或乘积法则:

eyy′+y+xy′=0.e^y y'+y+xy'=0.

整理得

y′=−yey+x(ey+x≠0).y'=-\frac{y}{e^y+x}\quad (e^y+x\ne 0).

先取对数再求导

方程 y=xxy=x^x 两边取对数得 ln⁡y=xln⁡x\ln y=x\ln x,再对 xx 求导:

y′y=ln⁡x+1,\frac{y'}{y}=\ln x+1,

所以 y′=xx(ln⁡x+1)y'=x^x(\ln x+1)。这类幂指函数的处理见幂指函数。

探索

圆上的切线斜率如何随位置变化?

用隐函数求导计算单位圆上半圆的斜率。

正在准备演示…

题集

练习

  1. 圆 x2+y2=25x^2+y^2=25 在点 (3,4)(3,4) 处的切线斜率是 。

    参考解答

    两边求导得 2x+2yy′=02x+2yy'=0,所以 y′=−x/y=−3/4y'=-x/y=-3/4。

  2. 对 x2+y2=1x^2+y^2=1 两边关于 xx 求导,y2y^2 这一项得到:

    选择答案
    参考解答

    yy 是 xx 的函数,由链式法则 (y2)′=2y⋅y′(y^2)'=2y\cdot y'。