Производная фукнции, заданной неявно: руководство, примеры. §7 Производная от функции, заданной неявно
Пусть
функция
задана неявно в виде уравнения
.
Продифференцировав это уравнение по х
и разрешив полученное уравнение
относительно производной
,
найдем производную первого порядка
(первую производную). Продифференцировав
по х
первую производную получим вторую
производную от неявной функции. Подставляя
уже найденное значение
в выражение второй производной, выразим
через х
и у.
Аналогично поступаем для нахождения
производной третьего порядка (и дальше).
Пример.Найти
,
если
.
Решение:
дифференцируем уравнение по х
:
.
Отсюда находим
.
Далее
.
Производные высших порядков от функций заданных параметрически.
Пусть
функция
задана параметрическими уравнениями
.
Как
известно первая производная
находится
по формуле
.
Найдем вторую производную
,
т.е.
.
Аналогично
.
Пример.
Найти вторую производную
.
Решение:
находим первую производную
.
Находим вторую производную
.
Дифференциал функции.
Пусть
функция
дифференцируема на
.
Производная этой функции в некоторой
точке
определяется равенством
.
Отношение
при
,
следовательно отличается от производной
на
величину б.м., т.е. можно записать
(
).
Умножим все на
,
получим
.
Приращение функции
состоит
из двух слагаемых. первое слагаемое
- главная часть приращения, есть
дифференциал функции.
Опр.
Дифференциалом функции
называется произведение производной
на приращение аргумента. Обозначается
.
Дифференциал
независимого переменного совпадает с
его приращением
.
().
Таким образом, формулу для дифференциала
можно записать
.
Дифференциал функции равен произведению
производной на дифференциал независимой
переменной. Из этого соотношения следует,
что производную можно рассматривать
как отношение дифференциалов
.
Дифференциал
используют в приближенных вычислениях.
Так как в выражении
второе слагаемое
бесконечно малая величина пользуются
приближенным равенством
или в развернутом виде
Пример:
вычислить приближенное значение
.
Функция
имеет производную
.
По формуле (*) : .
Пример: найти дифференциал функции
Геометрический смысл дифференциала.
К
графику функции
в точке М(x
;y
)
проведем касательную и рассмотрим
ординату этой касательной для точки
x
+∆
x
.
На рисунке АМ=∆х
АМ 1 =∆у
из
∆МАВ
,
отсюда
,
но согласно геометрическому смыслу
касательной
.
Поэтому
.
Сравнивая эту формулу с формулой
дифференциала получаем, что
,
т.е. дифференциал функции
в
точке х
равен
приращению ординаты касательной к
графику функции в этой точке, когда х
получает приращение ∆х
.
Правила вычисления дифференциала.
Поскольку
дифференциал функции
отличается
от производной множителем
,
то все правила вычисления производной
используются и для вычисления дифференциала
(отсюда и термин «дифференцирование»).
Пусть
даны две дифференцируемые функции
и
,
тогда дифференциал находится по следующим
правилам:
1)
2)
с
–
const
3)
4)
(
)
5)
для сложной функции
,
где
(т.к.
).
Дифференциал сложной функции равен произведению производной этой функции по промежуточному аргументу на дифференциал этого промежуточного аргумента.
Приложения производной.
Теоремы о среднем значении.
Теорема
Ролля
.
Если функция
непрерывна
на отрезке
и дифференцируема в открытом промежутке
и если принимает на концах отрезка
равные значения
,
то в интервале
найдется,
хотя бы одна такая точка с
,
в которой производная обращается в
ноль, т.е.
,
a
<
c
<
b
.
Геометрически
теорема Ролля означает, что на графике
функции
найдется точка, в которой касательная
к графику параллельна оси Ох
.
Теорема
Лагранжа
.
Если функция
непрерывна
на отрезке
и дифференцируема на интервале
,
то найдется, хотя бы одна точка
такая, что выполняется равенство
.
Формулу
называют формулой Лагранжа или формулой
о конечном приращении: приращение
дифференцируемой функции на отрезке
равно приращению аргумента, умноженному
на значение производной в некоторой
внутренней точке этого отрезка.
Геометрический
смысл теоремы Лагранжа: на графике
функции
найдется
точка С(с;
f
(c
))
,
в которой касательная к графику функции
параллельна секущей АВ
.
Теорема
Коши
.
Если функции
и
непрерывны на отрезке
,
дифференцируемы на интервале
,
причем
для
,
то найдется хотя бы одна точка
такая,
что выполняется равенство
.
Теорема Коши служит основанием для нового правила вычисления пределов.
Правило Лопиталя.
Теорема:
(Правило Лопиталя раскрытие неопределенностей
вида
).
Пусть функции
и
непрерывны и дифференцируемы в
окрестности точки х
0
и обращаются в нуль в этой точки
.
И пусть
в окрестности точки х
0
. если существует предел
,
то
.
Доказательство:
применим к функциям
и
теорему Коши для отрезка
Лежащего в окрестности точки х
0
.
Тогда
,
где x
0
<
c
<
x
.
Так как
получаем
.
Перейдем к пределу при
.
Т.к.
,
то
,
поэтому
.
Итак
предел отношения двух б.м. равен пределу
отношения их производных, если последний
существует
.
Теорема.
(правило
Лопиталя раскрытия неопределенностей
вида
)
Пусть функции
и
непрерывны и дифференцируемы в окрестности
точки х
0
(кроме, может быть, точки х
0
),
в этой окрестности
,
.
Если существует предел
,
то
.
Неопределенности
вида (
)
сводятся к двум основным (),
путем тождественных преобразований.
Пример:
Пусть функция задана неявным образом с помощью уравнения
(1)
.
И пусть это уравнение, при некотором значении ,
имеет единственное решение .
Пусть функция является дифференцируемой функцией в точке ,
причем
.
Тогда, при этом значении ,
существует производная ,
которая определяется по формуле:
(2)
.
Доказательство
Для доказательства рассмотрим функцию как сложную функцию от переменной :
.
Применим правило дифференцирования сложной функции и найдем производную по переменной от левой и правой частей уравнения
(3)
:
.
Поскольку производная от постоянной равна нулю и ,
то
(4)
;
.
Формула доказана.
Производные высших порядков
Перепишем уравнение (4), используя другие обозначения:
(4)
.
При этом и являются сложными функциями от переменной :
;
.
Зависимость определяет уравнение (1):
(1)
.
Находим производную по переменной от левой и правой части уравнения (4).
По формуле производной сложной функции имеем:
;
.
По формуле производной произведения :
.
По формуле производной суммы :
.
Поскольку производная правой части уравнения (4) равна нулю, то
(5)
.
Подставив сюда производную ,
получим значение производной второго порядка в неявном виде.
Дифференцируя, аналогичным образом, уравнение (5), мы получим уравнение, содержащее производную третьего порядка :
.
Подставив сюда найденные значения производных первого и второго порядков, найдем значение производной третьего порядка.
Продолжая дифференцирование, можно найти производную любого порядка.
Примеры
Пример 1
Найдите производную первого порядка от функции, заданной неявно уравнением:
(П1)
.
Решение по формуле 2
Находим производную по формуле (2):
(2)
.
Перенесем все переменные в левую часть, чтобы уравнение приняло вид .
.
Отсюда .
Находим производную по ,
считая постоянной.
;
;
;
.
Находим производную по переменной ,
считая переменную постоянной.
;
;
;
.
По формуле (2) находим:
.
Мы можем упростить результат если заметим, что согласно исходному уравнению (П.1), .
Подставим :
.
Умножим числитель и знаменатель на :
.
Решение вторым способом
Решим этот пример вторым способом. Для этого найдем производную по переменной левой и правой частей исходного уравнения (П1).
Применяем :
.
Применяем формулу производной дроби :
;
.
Применяем формулу производной сложной функции :
.
Дифференцируем исходное уравнение (П1).
(П1)
;
;
.
Умножаем на и группируем члены.
;
.
Подставим (из уравнения (П1)):
.
Умножим на :
.
Ответ
Пример 2
Найти производную второго порядка от функции ,
заданной неявно с помощью уравнения:
(П2.1)
.
Решение
Дифференцируем исходное уравнение, по переменной ,
считая что является функцией от :
;
.
Применяем формулу производной сложной функции.
.
Дифференцируем исходное уравнение (П2.1):
;
.
Из исходного уравнения (П2.1) следует, что .
Подставим :
.
Раскрываем скобки и группируем члены:
;
(П2.2)
.
Находим производную первого порядка:
(П2.3)
.
Чтобы найти производную второго порядка, дифференцируем уравнение (П2.2).
;
;
;
.
Подставим выражение производной первого порядка (П2.3):
.
Умножим на :
;
.
Отсюда находим производную второго порядка.
Ответ
Пример 3
Найти производную третьего порядка при от функции ,
заданной неявно с помощью уравнения:
(П3.1)
.
Решение
Дифференцируем исходное уравнение по переменной считая, что является функцией от .
;
;
;
;
;
;
(П3.2)
;
Дифференцируем уравнение (П3.2) по переменной .
;
;
;
;
;
(П3.3)
.
Дифференцируем уравнение (П3.3).
;
;
;
;
;
(П3.4)
.
Из уравнений (П3.2), (П3.3) и (П3.4) находим значения производных при .
;
;
.
Сначала рассмотрим неявную функцию одного переменного. Она определяется уравнением (1), которое каждому х из некоторой области Х сопоставляет определённое у. Тогда на Х определяется этим уравнением функция у=f(х). Её называют неявной или неявно заданной . Если уравнение (1) удаётся разрешить относительно у, т.е. получить вид у=f(х), то задание неявной функции становится явным. Однако разрешить уравнение удается не всегда и в этом случае не всегда ясно – существует ли вообще неявная функция у=f(х), определяемая уравнением (1) в некоторой окрестности точки (x 0 , y 0).
Например,
уравнение
неразрешимо относительноy
и неясно - определяет ли оно неявную
функцию в некоторой окрестности точки
(1,0), например. Заметим, что существуют
уравнения, не определяющие никакой
функции (x 2 +y 2 +1=0).
Оказывается справедливой следующая теорема:
Теорема «Существования и дифференцируемости неявной функции» (без доказательства)
Пусть
дано уравнение
(1) и функция
,
удовлетворяет условиям:
Тогда:
. (2)
Геометрически
теорема утверждает, что в окрестности
точки
,
где выполняемы условия теоремы, неявная
функция, определяемая уравнением (1),
может быть задана в явном виде у=f(х),
т.к. каждому значению х соответствует
единственное у. Если даже мы не можем
найти выражение функции в явном виде,
мы уверены, что в некоторой окрестности
точки М 0
это уже
возможно в принципе.
Рассмотрим
тот же пример:
.
Проверим условия:
1)
,
- и функция и её производные непрерывны
в окрестности точки (1,0) (как сумма и
произведение непрерывных).
2)
.
3)
.
Значит, неявная функция у=
f(х) существует
в окрестности точки (1,0). Мы не можем её
выписать в явном виде, но можем все-таки
найти её производную, которая будет
даже непрерывной:
Рассмотрим теперь неявную функцию от нескольких переменных . Пусть задано уравнение
. (2)
Если
каждой паре значений (х,у) из некоторой
области уравнение (2) сопоставляет одно
определённое значение z,
то говорят, что это уравнение неявно
определяет однозначную функцию от двух
переменных
.
Справедлива и соответствующая теорема существования и дифференцирования неявной функции нескольких переменных.
Теорема
2
: Пусть дано
уравнение
(2) и функция
удовлетворяет условиям:
Пример
:
.
Это уравнение задаётz
как двузначную неявную функцию от х и
у
.
Если проверить условия теоремы в
окрестности точки, например, (0,0,1), то
видим выполнение всех условий:
Значит,
неявная однозначная функция существует
в окрестности точки (0,0,1): Можно сказать
сразу, что это
,
задающая верхнюю полусферу.
Существуют
непрерывные частные производные
Они, кстати, получаются такими же, если
дифференцировать неявную функцию,
выраженную в явном виде, непосредственно.
Определение и теорема существования и дифференцирования неявной функции большего числа аргументов аналогичны.
Или короче - производная неявной функции. Что такое неявная функция? Поскольку мои уроки носят практическую направленность, я стараюсь избегать определений, формулировок теорем, но здесь это будет уместно сделать. А что такое вообще функция?
Функция одной переменной - это правило, по которому каждому значению независимой переменной соответствует одно и только одно значение функции .
Переменная называется независимой переменной
или аргументом
.
Переменная называется зависимой переменной
или функцией
.
Грубо говоря, буковка «игрек» в данном случае - и есть функция.
До сих пор мы рассматривали функции, заданные в явном виде. Что это значит? Устроим разбор полётов на конкретных примерах.
Рассмотрим функцию
Мы видим, что слева у нас одинокий «игрек» (функция), а справа - только «иксы» . То есть, функция в явном виде выражена через независимую переменную .
Рассмотрим другую функцию:
Здесь переменные и расположены «вперемешку». Причем никакими способами невозможно выразить «игрек» только через «икс». Что это за способы? Перенос слагаемых из части в часть со сменой знака, вынесение за скобки, перекидывание множителей по правилу пропорции и др. Перепишите равенство и попробуйте выразить «игрек» в явном виде: . Можно крутить-вертеть уравнение часами, но у вас этого не получится.
Разрешите познакомить: - пример неявной функции .
В курсе математического анализа доказано, что неявная функция существует (однако не всегда), у неё есть график (точно так же, как и у «нормальной» функции). У неявной функции точно так же существует первая производная, вторая производная и т.д. Как говорится, все права секс-меньшинств соблюдены.
И на этом уроке мы научимся находить производную от функции, заданной неявно. Это не так сложно! Все правила дифференцирования, таблица производных элементарных функций остаются в силе. Разница в одном своеобразном моменте, который мы рассмотрим прямо сейчас.
Да, и сообщу хорошую новость - рассмотренные ниже задания выполняются по довольно жесткому и чёткому алгоритму без камня перед тремя дорожками.
Пример 1
1) На первом этапе навешиваем штрихи на обе части:
2) Используем правила линейности производной (первые два правила урока Как найти производную? Примеры решений
):
3) Непосредственное дифференцирование.
Как дифференцировать и совершенно понятно. Что делать там, где под штрихами есть «игреки»?
Просто до безобразия, производная от функции равна её производной : .
Как дифференцировать
Здесь у нас сложная функция . Почему? Вроде бы под синусом всего одна буква «игрек». Но, дело в том, что всего одна буква «игрек» - САМА ПО СЕБЕ ЯВЛЯЕТСЯ ФУНКЦИЕЙ (см. определение в начале урока). Таким образом, синус - внешняя функция, - внутренняя функция. Используем правило дифференцирования сложной функции :
Произведение дифференцируем по обычному правилу :
Обратите внимание, что - тоже сложная функция, любой «игрек с наворотами» - сложная функция :
Само оформление решения должно выглядеть примерно так:
Если есть скобки, то раскрываем их:
4) В левой части собираем слагаемые, в которых есть «игрек» со штрихом. В правую часть - переносим всё остальное:
5) В левой части выносим производную за скобки:
6) И по правилу пропорции сбрасываем эти скобки в знаменатель правой части:
Производная найдена. Готово.
Интересно отметить, что в неявном виде можно переписать любую функцию. Например, функцию можно переписать так: . И дифференцировать её по только что рассмотренному алгоритму. На самом деле фразы «функция, заданная в неявном виде» и «неявная функция» отличаются одним смысловым нюансом. Фраза «функция, заданная в неявном виде» более общая и корректная, - эта функция задана в неявном виде, но здесь можно выразить «игрек» и представить функцию в явном виде. Под фразой «неявная функция» понимают «классическую» неявную функцию, когда «игрек» выразить нельзя.
Второй способ решения
Внимание! Со вторым способом можно ознакомиться только в том случае, если Вы умеете уверенно находить частные производные. Начинающие изучать математический анализ и чайники, пожалуйста, не читайте и пропустите этот пункт, иначе в голове будет полная каша.
Найдем производную неявной функции вторым способом.
Переносим все слагаемые в левую часть:
И рассматриваем функцию двух переменных:
Тогда нашу производную можно найти по формуле
Найдем частные производные:
Таким образом:
Второй способ решения позволяет выполнить проверку. Но оформлять им чистовой вариант задания нежелательно, поскольку частные производные осваивают позже, и студент, изучающий тему «Производная функции одной переменной», знать частные производные как бы еще не должен.
Рассмотрим еще несколько примеров.
Пример 2
Найти производную от функции, заданной неявно
Навешиваем штрихи на обе части:
Используем правила линейности:
Находим производные:
Раскрываем все скобки:
Переносим все слагаемые с в левую часть, остальные - в правую часть:
В левой части выносим за скобку:
Окончательный ответ:
Пример 3
Найти производную от функции, заданнойнеявно
Полное решение и образец оформления в конце урока.
Не редкость, когда после дифференцирования возникают дроби. В таких случаях от дробей нужно избавляться. Рассмотрим еще два примера.
Будем учиться находить производные функций, заданных неявно, то есть заданных некоторыми уравнениями, связывающими между собой переменные x и y . Примеры функций, заданных неявно:
,
,
Производные функций, заданных неявно, или производные неявных функций, находятся довольно просто. Сейчас же разберём соответствующее правило и пример, а затем выясним, для чего вообще это нужно.
Для того, чтобы найти производную функции, заданной неявно, нужно продифференцировать обе части уравнения по иксу. Те слагаемые, в которых присутствует только икс, обратятся в обычную производную функции от икса. А слагаемые с игреком нужно дифференцировать, пользуясь правилом дифференцирования сложной функции, так как игрек - это функция от икса. Если совсем просто, то в полученной производной слагаемого с иксом должно получиться: производная функции от игрека, умноженная на производную от игрека. Например, производная слагаемого запишется как , производная слагаемого запишется как . Далее из всего этого нужно выразить этот "игрек штрих" и будет получена искомая производная функции, заданной неявно. Разберём это на примере.
Пример 1.
Решение. Дифференцируем обе части уравнения по иксу, считая, что игрек - функция от икса:
Отсюда получаем производную, которая требуется в задании:
Теперь кое-что о неоднозначном свойстве функций, заданных неявно, и почему нужны особенные правила их дифференцирования. В части случаев можно убедиться, что подстановка в заданное уравнение (см. примеры выше) вместо игрека его выражения через икс приводит к тому, что это уравнение обращается в тождество. Так. приведённое выше уравнение неявно определяет следующие функции:
После подстановки выражения игрека в квадрате через икс в первоначальное уравнение получаем тождество:
.
Выражения, которые мы подставляли, получились путём решения уравнения относительно игрека.
Если бы мы стали дифференцировать соответствующую явную функцию
то получили бы ответ как в примере 1 - от функции, заданной неявно:
Но не всякую функцию, заданную неявно, можно представить в виде y = f (x ) . Так, например, заданные неявно функции
не выражаются через элементарные функции, то есть эти уравнения нельзя разрешить относительно игрека. Поэтому и существует правило дифференцирования функции, заданной неявно, которое мы уже изучили и далее будем последовательно применять в других примерах.
Пример 2. Найти производную функции, заданной неявно:
.
Выражаем игрек штрих и - на выходе - производная функции, заданной неявно:
Пример 3. Найти производную функции, заданной неявно:
.
Решение. Дифференцируем обе части уравнения по иксу:
.
Пример 4. Найти производную функции, заданной неявно:
.
Решение. Дифференцируем обе части уравнения по иксу:
.
Выражаем и получаем производную:
.
Пример 5. Найти производную функции, заданной неявно:
Решение. Переносим слагаемые в правой части уравнение в левую часть и справа оставляем ноль. Дифференцируем обе части уравнения по иксу.