大学高等数学5隐函数微分及习题课课件.ppt

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1、第四节一、隐函数的导数一、隐函数的导数二、由参数方程确定的函数的导数二、由参数方程确定的函数的导数 三、相关变化率三、相关变化率 机动 目录 上页 下页 返回 结束 隐函数和参数方程求导 相关变化率 第二章 31xy一、隐函数的导数一、隐函数的导数若由方程0),(yxF可确定 y 是 x 的函数,由)(xfy 表示的函数,称为显函数显函数.例如例如,013 yx可确定显函数03275xxyy可确定 y 是 x 的函数,但此隐函数不能显化.函数为隐函数隐函数.则称此隐函数求导方法求导方法:0),(yxF0),(ddyxFx两边对 x 求导(含导数 的方程)y机动 目录 上页 下页 返回 结束 例

2、例1.求由方程03275xxyy)(xyy 在 x=0 处的导数.0ddxxy解解:方程两边对 x 求导)32(dd75xxyyx得xyydd54xydd21621x025211dd46yxxy因 x=0 时 y=0,故210ddxxy0确定的隐函数机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例2.求椭圆191622yx在点)3,2(23处的切线方程.解解:椭圆方程两边对 x 求导8xyy920y2323xyyx1692323xy43故切线方程为323y43)2(x即03843 yx机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例3.求)0(sinxxyx的导数.解解:两边取对数,化为隐式xxylnsinl

3、n两边对 x 求导yy1xx lncos xxsin)sinlncos(sinxxxxxyx机动 目录 上页 下页 返回 结束 1)对幂指函数vuy 可用对数求导法求导:uvylnlnyy1uv lnuvu)ln(uvuuvuyvvuuyvlnuuvv1说明说明:按指数函数求导公式按幂函数求导公式注意注意:机动 目录 上页 下页 返回 结束 2)有些显函数用对数求导法求导很方便.例如例如,)1,0,0(babaaxxbbaybax两边取对数yln两边对 x 求导yybalnxaxb baxaxxbbaybalnxaxbbaxlnlnlnxbalnlnaxb机动 目录 上页 下页 返回 结束 又

4、如又如,)4)(3()2)(1(xxxxyuuu)ln(21lny对 x 求导21yy)4)(3()2)(1(21xxxxy41312111xxxx两边取对数2ln1lnxx4ln3lnxx11x21x31x41x机动 目录 上页 下页 返回 结束 二、由参数方程确定的函数的导数二、由参数方程确定的函数的导数若参数方程)()(tytx可确定一个 y 与 x 之间的函数)(,)(tt可导,且,0)()(22tt则0)(t时,有xyddxttyddddtxtydd1dd)()(tt0)(t时,有yxddyttxddddtytxdd1dd)()(tt(此时看成 x 是 y 的函数)关系,机动 目录

5、上页 下页 返回 结束 若上述参数方程中)(,)(tt二阶可导,22ddxy)dd(ddxyx)(2t)()(tt)()(tt)(t)()()()()(3ttttt 3xyxxy )dd(ddxyttxdd)()(ddttxy)(tx且,0)(t则由它确定的函数)(xfy 可求二阶导数.利用新的参数方程,可得机动 目录 上页 下页 返回 结束)()(dd22ttxy,)()(ttxydd?例例4.设)(tfx,且,0)(tf求.dd22xy ddxy)(tft)(tf ,t dd22xy1)(tf 已知解解:)()(tftfty练习练习:P111 题8(1),1221tytxxydd;1t22

6、ddxy21tt31t解解:注意注意:机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例5.抛射体运动轨迹的参数方程为 1tvx 求抛射体在时刻 t 的运动速度的大小和方向.解解:先求速度大小:速度的水平分量为,dd1vtx垂直分量为,dd2tgvty故抛射体速度大小22)dd()dd(tytxv2221)(gtvv再求速度方向(即轨迹的切线方向):设 为切线倾角,tanxyddtyddtxdd12vtgv 则yxo2212tgtvy机动 目录 上页 下页 返回 结束 抛射体轨迹的参数方程22121 tgtvytvx速度的水平分量,dd1vtx垂直分量,dd2tgvtytan12vt gv 在刚射出(即

7、 t=0)时,倾角为12arctanvv达到最高点的时刻,2gvt 高度ygv2221落地时刻,22gvt 抛射最远距离xgvv212速度的方向yxo2vt g22vt g机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例6.设由方程)10(1sin 222yytttx确定函数,)(xyy 求.ddxy解解:方程组两边对 t 求导,得故xydd)cos1)(1(ytttyddtxddt 2yttycos12dd22 tycostydd0)1(2ddttxtyddtxdd机动 目录 上页 下页 返回 结束 三、相关变化率三、相关变化率)(,)(tyytxx为两可导函数yx,之间有联系tytxdd,dd之间

8、也有联系称为相关变化率相关变化率相关变化率问题解法:找出相关变量的关系式对 t 求导得相关变化率之间的关系式求出未知的相关变化率机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例7.一气球从离开观察员500 m 处离地面铅直上升,其速率为,minm140当气球高度为 500 m 时,观察员视线的仰角增加率是多少?500h解解:设气球上升 t 分后其高度为h,仰角为,则tan500h两边对 t 求导2sectddthdd5001已知,minm140ddth h=500m 时,1tan22tan1sec,2sec2tdd14050012114.0)minrad/(机动 目录 上页 下页 返回 结束 思考题思

9、考题:当气球升至500 m 时停住,有一观测者以100 mmin 的速率向气球出发点走来,当距离为500 m 时,仰角的增加率是多少?提示提示:tanx500对 t 求导2sectddtxxdd5002已知,minm100ddtx.ddtx500,m500 x求机动 目录 上页 下页 返回 结束 试求当容器内水Rhxhr例例8.有一底半径为 R cm,高为 h cm 的圆锥容器,今以 自顶部向容器内注水,scm253位等于锥高的一半时水面上升的速度.解解:设时刻 t 容器内水面高度为 x,水的VhR231)(231xhrxrh)(33322xhhhR两边对 t 求导tVdd22hR2)(xh,

10、ddtx而,)(25222xhRh,2时当hx hxhRr故txdd)scm(25dd3tV)scm(100dd2Rtx体积为 V,则R机动 目录 上页 下页 返回 结束 内容小结内容小结1.隐函数求导法则直接对方程两边求导2.对数求导法:适用于幂指函数及某些用连乘,连除表示的函数3.参数方程求导法极坐标方程求导4.相关变化率问题列出依赖于 t 的相关变量关系式对 t 求导相关变化率之间的关系式转化转化求高阶导数时,从低到高每次都用参数方程求导公式机动 目录 上页 下页 返回 结束 思考与练习思考与练习1.求螺线r在对应于的点处的切线方程.解解:化为参数方程sincosryrxcossinxy

11、ddddyddxcossinsincos当时对应点斜率xykdd222,),0(2M 切线方程为22xy2机动 目录 上页 下页 返回 结束 2.设,)2(2)(sin32lntanxxxxxyxx求.y1y2y提示提示:分别用对数微分法求.,21yy答案答案:21yyy)1sinln(sec)(sin2tanxxxx32ln)2(31xxxx)2(32)2(3ln21xxxxx机动 目录 上页 下页 返回 结束 3.设)(xyy 由方程eyxey确定,)0(y解解:方程两边对 x 求导,得0yxyyey再求导,得2yey yxey)(02 y当0 x时,1y故由 得ey1)0(再代入 得21

12、)0(ey 求.)0(y 机动 目录 上页 下页 返回 结束 作业作业P110 1(1),(4);2;3(3),(4);4(2),(4);5(2);6;7(2);8(2),(4);9(2);10;12 第五节 目录 上页 下页 返回 结束 求其反函数的导数.,xexy解解:xyddyxdd方法方法1xe1y1xe11方法方法2 等式两边同时对 求导y1yxddxeyxddyxdd备用题备用题xe111.设机动 目录 上页 下页 返回 结束,求01sin232ytettxy.dd0txy解解:txddyetydd0ddtxy2.设方程组两边同时对 t 求导,得26 ttyddtsin0ddtyt

13、eycosteteyysin1costxtydddd0)26)(sin1(costyyttete2e0t机动 目录 上页 下页 返回 结束 二、微分运算法则二、微分运算法则三、微分在近似计算中的应用三、微分在近似计算中的应用四、微分在估计误差中的应用四、微分在估计误差中的应用第五节一、微分的概念一、微分的概念 机动 目录 上页 下页 返回 结束 函数的微分 第二章 一、微分的概念一、微分的概念 引例引例:一块正方形金属薄片受温度变化的影响,问此薄片面积改变了多少?设薄片边长为 x,面积为 A,则,2xA 0 xx面积的增量为220)(xxxA20)(2xxxxx 020 xA xx 02)(x

14、关于x 的线性主部高阶无穷小0 x时为故xxA02称为函数在 的微分0 x当 x 在0 x取得增量x时,0 x变到,0 xx边长由其机动 目录 上页 下页 返回 结束 的微分微分,定义定义:若函数)(xfy 在点 的增量可表示为0 x)()(00 xfxxfy(A 为不依赖于x 的常数)则称函数)(xfy 而 称为xA在)(xf0 x点记作yd,df或即xAyd定理定理:函数)(xfy 在点 可微的充要条件充要条件是0 x处可导,在点0)(xxfy,)(0 xfA且)(xoxA即xxfy)(d0在点0 x可微可微,机动 目录 上页 下页 返回 结束 定理定理:函数证证:“必要性必要性”已知)(

15、xfy 在点 可微,0 x则)()(00 xfxxfy)(limlim00 xxoAxyxxA故Axf)(0)(xoxA)(xfy 在点 的可导,0 x且)(xfy 在点 可微的充要条件充要条件是0 x)(xfy 在点 处可导,0 x且,)(0 xfA即xxfy)(d0机动 目录 上页 下页 返回 结束 定理定理:函数)(xfy 在点 可微的充要条件充要条件是0 x)(xfy 在点 处可导,0 x且,)(0 xfA即xxfy)(d0“充分性充分性”已知)(lim00 xfxyx)(xfy)(0 xfxy)0lim(0 xxxxfy)(0故)()(0 xoxxf 线性主部 即xxfy)(d0在点

16、 的可导,0 x)0)(0时 xf则机动 目录 上页 下页 返回 结束 说明说明:0)(0 xf时,xxfy)(d0)()(0 xoxxfyyyxdlim0 xxfyx)(lim00 xyxfx00lim)(11所以0 x时yyd很小时,有近似公式xyyd与是等价无穷小,当故当机动 目录 上页 下页 返回 结束 微分的几何意义xxfy)(d0 xx0 xyo)(xfy 0 xyydxtan当 很小时,xyyd时,当xy 则有xxfyd)(d从而)(ddxfxy导数也叫作微商切线纵坐标的增量自变量的微分自变量的微分,为称 x记作xdxyxd记机动 目录 上页 下页 返回 结束 例如例如,3xy

17、yd02.0d2xx23xxd02.0d2xx24.0,arctan xy ydxxd112基本初等函数的微分公式(见 P115表)又如又如,机动 目录 上页 下页 返回 结束 二、二、微分运算法则微分运算法则设 u(x),v(x)均可微,则)(d.1vu)(d.2uC(C 为常数)(d.3vu)0()(d.4vvu分别可微,)(,)(xuufy)(xfy的微分为xyyxddxxufd)()(uduufyd)(d微分形式不变微分形式不变5.复合函数的微分则复合函数vudd uCdvuuvdd 2ddvvuuv机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例1.,)1(ln2xey求.dy解解:211d

18、xey)1(d2xe211xe)(d2xxxeexxd21122xeexxxd12222xe机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例2.设,0)cos(sinyxxy求.dy解解:利用一阶微分形式不变性,有0)d(cos()sin(dyxxyxxyyxdcosdsin)sin(yx0)d(d yxxyd d)sin(cosyxxyxyxsin)sin(例例3.在下列括号中填入适当的函数使等式成立:xxd)d()1(tt dcos)d()2(221xtsin1说明说明:上述微分的反问题是不定积分要研究的内容.CC注意 目录 上页 下页 返回 结束 注意:数学中的反问题往往出现多值性.)(22 4

19、4)(22)(4sin22)sin(k2224数学中的反问题往往出现多值性,例如注意 目录 上页 下页 返回 结束 三、三、微分在近似计算中的应用微分在近似计算中的应用)()(0 xoxxfy当x很小时,)()(00 xfxxfyxxf)(0 xxfxfxxf)()()(000 xxx0令使用原则使用原则:;)(,)()100好算xfxf.)20靠近与xx)()()(000 xxxfxfxf得近似等式:机动 目录 上页 下页 返回 结束 特别当xx,00很小时,xffxf)0()0()(常用近似公式常用近似公式:x1)1()1(x很小)x(xxxx1xsin)2(xe)3(xtan)4()1l

20、n()5(x证明证明:令)1()(xxf得,1)0(f)0(f,很小时当 xxx1)1(机动 目录 上页 下页 返回 结束 180dx29sin的近似值.解解:设,sin)(xxf取300 x,629x则1802918029sin6sin6cos2123)0175.0(485.0)180(例例4.求29sin机动 目录 上页 下页 返回 结束 4848.029sin5245的近似值.解解:24335524551)2243(51)24321(33)2432511(0048.3例例5.计算xx1)1(机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例6.有一批半径为1cm 的球,为了提高球面的光洁度,解解:

21、已知球体体积为334RV镀铜体积为 V 在01.0,1RR时体积的增量,VVVd01.01RRRR 2401.01RR)(cm13.03因此每只球需用铜约为16.113.09.8(g)用铜多少克.)cmg9.8:(3铜的密度估计一下,每只球需要镀上一层铜,厚度定为 0.01cm,机动 目录 上页 下页 返回 结束 四、四、微分在估计误差中的应用微分在估计误差中的应用某量的精确值为 A,其近似值为 a,aA称为a 的绝对误差绝对误差aaA称为a 的相对误差相对误差若AaAA称为测量 A 的绝对误差限绝对误差限aA称为测量 A 的相对误差限相对误差限机动 目录 上页 下页 返回 结束 误差传递公式

22、误差传递公式:已知测量误差限为,x按公式)(xfy 计算 y 值时的误差yydxxf)(xxf)(故 y 的绝对误差限约为xyxf)(相对误差限约为xyxfxfy)()(若直接测量某量得 x,机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例7.设测得圆钢截面的直径 mm,0.60D测量D 的 绝对误差限,mm05.0D欲利用公式24DA圆钢截面积,解解:计算 A 的绝对误差限约为DAADD205.00.602715.4 A 的相对误差限约为242DDADADD20.6005.02%17.0试估计面积的误差.计算机动 目录 上页 下页 返回 结束(mm)内容小结内容小结1.微分概念 微分的定义及几何意义

23、 可导可微2.微分运算法则微分形式不变性:uufufd)()(d(u 是自变量或中间变量)3.微分的应用近似计算估计误差机动 目录 上页 下页 返回 结束 思考与练习思考与练习1.设函数)(xfy 的图形如下,试在图中标出的点0 x处的yy,d及,dyy 并说明其正负.yd0 xx00 xxyoy00yyd机动 目录 上页 下页 返回 结束 2.xxeed )d(arctanxe211xd xxee21xxsindtand.3x3secxxd2sin)(d.4Cx2cos21机动 目录 上页 下页 返回 结束 5.设)(xyy 由方程063sin33yxyx确定,.d0 xy解解:方程两边求微

24、分,得xx d32当0 x时,0y由上式得xyxd21d0求yy d32xxd3cos30d6y6.设,0a且,nab 则nnba1nanba机动 目录 上页 下页 返回 结束 作业作业P122 1;3(4),(7),(8),(9),(10);4;5;8(1);9(2);12习题课 目录 上页 下页 返回 结束 1.已知,)1sinarcsin(2xy 求.d y解解:因为 y所以yd备用题备用题22)1(sin11xx1sin2x1cos)1(2xxy dxxxxd2sin)1(sin11222机动 目录 上页 下页 返回 结束 方程两边求微分,得已知,yxexy求.d y解解:xyyxdd

25、yd2.)d(dyxeyxxexeyyxyxd习题课 目录 上页 下页 返回 结束 习题课一、一、导数和微分的概念及应用导数和微分的概念及应用机动 目录 上页 下页 返回 结束 二、二、导数和微分的求法导数和微分的求法 导数与微分 第二章 一、一、导数和微分的概念及应用导数和微分的概念及应用 导数导数:xxfxxfxfx)()(lim)(0当时,为右导数当时,为左导数0 x)(xf0 x)(xf 微分微分:xxfxfd)()(d机动 目录 上页 下页 返回 结束 关系关系:可导可微(思考 P124 题1)应用应用:(1)利用导数定义解决的问题 (3)微分在近似计算与误差估计中的应用(2)用导数

26、定义求极限1)推出三个最基本的导数公式及求导法则xxxCxcos)(sin;)(ln;0)(1其他求导公式都可由它们及求导法则推出;2)求分段函数在分界点处的导数,及某些特殊函数在特殊点处的导数;3)由导数定义证明一些命题.机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例1.1.设)(0 xf 存在,求.)()(lim0200 xxfxxxfx解解:原式=xxfxxxfx )()(lim02002)(xx2)(xx)(0 xf 机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例2.2.若0)1(f且)1(f 存在,求.tan)1()cos(sinlim20 xexxfxx解解:1)cos(sinlim20 xx

27、x原式=220)cos(sinlimxxxfx且0)1(f联想到凑导数的定义式220)1cossin1(limxxxfx1cossin2xx1cossin2xx)1(f)1(f)211()1(21f 机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例3.3.设)(xf在2x处连续,且,32)(lim2xxfx求.)2(f 解解:)2(f)(lim2xfx)2()()2(lim2xxfxx02)2()(lim)2(2xfxffx2)(lim2xxfx3思考思考:P124 题2机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例4.4.设1lim)()1()1(2xnxnnebaxexxf试确定常数 a,b 使 f(x

28、)处处可导,并求.)(xf 解解:)(xf1x,bxa 1x,)1(21ba1x,2x,1时x;)(axf时,1x.2)(xxf)1()1()1(fff)1()1(ff得处可导,在利用1)(xxf即ba1)1(21ba2a机动 目录 上页 下页 返回 结束,1,2ba2)1(f1,21,2)(xxxxf)(xf 是否为连续函数?判别判别:机动 目录 上页 下页 返回 结束)(xf1x,bxa 1x,)1(21ba1x,2x,1时x,)(axf时,1xxxf2)()(xf设0)(,xxf在讨论解解:)(lim0 xfx又xfxfx)0()(lim0例例5.所以 )(xf0 x在处连续.即)(xf

29、0 x在处可导.xxx1sinlim20)0(0fxxx1sinlim000,1sin2xxx0,0 x处的连续性及可导性.xxxx120sinlim0)0(f机动 目录 上页 下页 返回 结束 二、二、导数和微分的求法导数和微分的求法1.正确使用导数及微分公式和法则 2.熟练掌握求导方法和技巧(1)求分段函数的导数注意讨论界点界点处左右导数是否存在和相等(2)隐函数求导法对数微分法(3)参数方程求导法极坐标方程求导(4)复合函数求导法(可利用微分形式不变性)转化转化(5)高阶导数的求法逐次求导归纳;间接求导法;利用莱布尼兹公式.机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例6.6.设,)(arct

30、ansin1sinxxxfeey其中)(xf可微,.y求解解:yd)d(sinsin xxee)d(sinsinxxee)d(arctan)(arctan11xxf)d(sinsinsinxeexx)d(cossinxxxeee)d(11)(arctan1112xxxfxexexxd)sin(cossinxfxxd)(arctan1112xyyddxxee cos机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例7.7.,有定义时设)(0 xgx 且)(xg 存在,问怎样选择cba,可使下述函数在0 x处有二阶导数.)(xf解解:由题设)0(f 存在,因此1)利用)(xf在0 x连续,即,)0()0()

31、0(fff得)0(gc 2)利用,)0()0(ff0)0()(lim)0(0 xgxgfx)0(g0)0()(lim)0(20 xgcbxxafxb而)0(gb得0,2xcbxax0,)(xxg机动 目录 上页 下页 返回 结束)0(gb3)利用,)0()0(ff0)0()(lim)0(0 xgxgfx)0(g0)2(lim)0(0 xbbxafxa2而得)0(21 ga)0(gc)(xf0,2xcbxax0,)(xxg机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例8.8.设由方程)10(1sin 222yytttx确定函数,)(xyy 求.dd22xy解解:方程组两边对 t 求导,得txddt 2txddyttycos12dd故xydd)cos1)(1(ytt22 ttyddycostydd0)1(2ttyddtxdd机动 目录 上页 下页 返回 结束 22ddxy)(ddddxyttxdd )()cos1)(1(ddyttt)1(2t yttysin)1()cos1(23)cos1()1(2yttydd yttysin)1(2)cos1(2233)cos1()1(2yt机动 目录 上页 下页 返回 结束 作业作业 P124 4;5(1);6;7(3),(4),(5);8(2);10;11(2);12;13;15机动 目录 上页 下页 返回 结束

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