Высшая математика – просто и доступно!

Если сайт упал, используйте ЗЕРКАЛО: mathprofi.net

Наш форум, библиотека и блог: mathprofi.com

Высшая математика:

Математика для заочников

Математические формулы,
таблицы и другие материалы

Книги по математике

Математические сайты

+-*/^ Удобный калькулятор

+ «Дробовик»   

Учимся решать:

  Карта сайта

Не нашлось нужной задачи?
Сборники готовых решений!

Не получается пример?
Задайте вопрос на форуме!
>>> mathprofi

Обратная связь:

Часто задаваемые вопросы
Гостевая книга Отблагодарить автора >>>

Заметили опечатку / ошибку?
Пожалуйста, сообщите мне об этом

Карта сайта

---

Производная функции, заданной неявно.
Производная параметрически заданной функции

В данной статье мы рассмотрим ещё два типовых задания, которые часто встречаются в контрольных работах по высшей математике. Для того чтобы успешно освоить материал, необходимо уметь находить производные хотя бы на среднем уровне. Научиться находить производные практически с нуля можно на двух базовых уроках Как найти производную? Примеры решений и Производная сложной функции. Если с навыками дифференцирования всё в порядке, тогда поехали.

Производная функции, заданной неявно

Или короче – производная неявной функции. Что такое неявная функция? Давайте сначала вспомним само определение функции одной переменной:

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.

До сих пор мы рассматривали функции, заданные в явном виде. Что это значит? Устроим разбор полётов на конкретных примерах.

Рассмотрим функцию

Здесь слева у нас одинокий «игрек», а справа – только «иксы» (ну и, понятно, числа, знаки). То есть функция  в явном виде выражена через независимую переменную .

Рассмотрим другую функцию:  

Тут переменные  и  расположены «вперемешку». Причем никакими алгебраическими 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 функции, которая задана неявно. Это не так сложно! Все правила дифференцирования, таблица производных элементарных функций остаются в силе. Разница будет 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

Найти производную функции, заданной неявно

1) На первом этапе навешиваем штрихи на обе части:

2) Используем свойство 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 . Согласно таблице производных, синус превращается в косинус, только вместо «икс» у нас буковка «игрек»:

Произведение дифференцируем по формуле :

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 штрих». 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 записать и «обычную» функцию. Например, функцию   можно переписать так: . И продифференцировать 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 словами же «неявная функция» чаще понимают «классическую» неявную функцию, когда «игрек» выразить нельзя.

Ещё более общее название – это неявное уравнение, которое может неявно задавать сразу две или даже бОльшее количество функций, так, например, уравнение окружности неявно задаёт функции , , которые определяют полуокружности. Но, в рамках данной статьи, мы не будем делать особого различия между терминами и нюансами, это была просто информация для общего развития.

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.

О том, как найти производную 2-го, 3-го и более высоких порядков от неявно заданной функции, читайте в статье Производные высших порядков.

Производная параметрически заданной функции

Не напрягаемся, в этом параграфе тоже всё достаточно просто. Можно записать общую формулу параметрически заданной функции, но, для того, чтобы было понятно, я сразу запишу конкретный пример. В параметрической форме функция задаётся двумя уравнениями: . Частенько уравнения записывают не под фигурными скобками, а последовательно: , .

Переменная  называется параметром и может принимать значения от «минус бесконечности» до «плюс бесконечности». Рассмотрим, например, значение  и подставим его в оба уравнения: . Или по человечески: «если икс равен четырем, то игрек равно единице». На координатной плоскости можно отметить точку , и эта точка будет соответствовать значению параметра . Аналогично можно найти точку для любого значения параметра «тэ». Как и для «обычной» функции, для параметрически заданной функции все права тоже соблюдены: можно построить график, найти производные и т. д. Кстати, если есть надобность построить график параметрически заданной функции, можете воспользоваться моей программой.

Как найти производную параметрически заданной функции? В простых случаях, как наш, есть возможность представить функцию в явном виде. Выразим из первого уравнения параметр:  – и подставим его во второе уравнение: . После чего дифференцируем по обычной схеме.

В более «тяжелых» случаях такой фокус не прокатывает. Но это не беда, потому что для нахождения производной параметрической функции существует формула:

Находим производную от «игрека по переменной тэ»:

Все правила дифференцирования и таблица производных справедливы, естественно, и для буквы , таким образом, какой-то новизны в самом процессе нахождения производных нет. Просто мысленно замените в таблице все «иксы» на букву «тэ».

Находим производную от «икса по переменной тэ»:

Теперь только осталось подставить найденные производные в нашу формулу:

Готово. Производная, как и сама функция, тоже зависит от параметра .

Что касается обозначений, то в формуле вместо записи  можно было просто записать  без подстрочного индекса, поскольку это «обычная» производная «по икс». Но в литературе всегда встречается вариант , поэтому я не буду отклоняться от стандарта.

Надеюсь, это занятие было полезным, и Вы теперь с лёгкостью сможете находить производные, если функция задана неявно или параметрически.

Желаю успехов!

Решения и ответы:

Автор: Емелин Александр

Высшая математика для заочников и не только >>>

(Переход на главную страницу)

Как можно отблагодарить автора?

© Copyright  Александр Емелин, mathprofi.ru, 2010-2025, сделано в Блокноте