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.
Очень часто при решении практических задач (например, в высшей геодезии или аналитической фотограмметрии) появляются сложные функции нескольких переменных, т. е. аргументы x, y, z одной функцииf (x,y,z) ) сами являются функциями от новых переменныхU, V, W ).
Так, например, бывает при переходе от неподвижной системы координат Oxyz в подвижную системуO 0 UVW и обратно. При этом важно знать все частные производные по "неподвижным" - "старым" и "подвижным" - "новым" переменным, так как эти частные производные обычно характеризуют положение объекта в этих системах координат, и, в частности, влияют на соответствие аэрофотоснимков реальному объекту. В таких случаях применяются следующие формулы:
То есть задана сложная функцияT трех "новых" переменныхU, V, W посредством трёх "старых" переменныхx, y, z, тогда:
Замечание. Возможны вариации в количестве переменных. Например: если
В частности, еслиz = f(xy), y = y(x) , то получаем так называемую формулу "полной производной":
Эта же формула "полной производной" в случае:
примет вид:
Возможны и иные вариации формул (1.27) - (1.32).
Замечание: формула "полной производной" используется в курсе физики, раздел "Гидродинамика" при выводе основополагающей системы уравнений движения жидкости.
Пример 1.10. Дано:
Согласно (1.31):
§7 Частные производные неявно заданной функции нескольких переменных
Как известно, неявно заданная функция одной переменной определяется так: функция у независимой переменной x называется неявной, если она задана уравнением, не разрешенным относительноy :
Пример 1.11.
Уравнение
неявно задаёт две функции:
А уравнение
не задаёт никакой функции.
Теорема 1.2 (существования неявной функции).
Пусть функция z =f(х,у) и ее частные производныеf" x иf" y определены и непрерывны в некоторой окрестностиU M0 точкиM 0 (x 0 y 0 ) . Кроме того,f(x 0 ,y 0 )=0 иf"(x 0 ,y 0 )≠0 , тогда уравнение (1.33) определяет в окрестностиU M0 неявную функциюy= y(x) , непрерывную и дифференцируемую в некотором интервалеD с центром в точке x 0 , причемy(x 0 )=y 0 .
Без доказательства.
Из теоремы 1.2 следует, что на этом интервале D :
то- есть имеет место тождество по
где "полная" производная находится согласно (1.31)
То есть (1.35) дает формулу нахождения производной неявно заданной функции одной переменной x .
Аналогично определяется и неявная функция двух и более переменных.
Например, если в некоторой области V пространстваOxyz выполняется уравнение:
то при некоторых условиях на функцию F оно неявно задаёт функцию
При этом по аналогии с (1.35) ее частные производные находятся так.
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:
Рассмотрим функцию y(x), которая записывается неявным способом в общем виде $ F(x,y(x)) = 0 $. Производная неявной функции находится двумя способами:
- Дифференцированием обеих частей уравнения
- С помощью использования готовой формулы $ y" = - \frac{F"_x}{F"_y} $
Как найти?
Способ 1
Не требуется приводить функцию к явному виду. Нужно сразу приступать к дифференцированию левой и правой части уравнения по $ x $. Стоит обратить внимание, что производная $ y" $ вычисляется по правилу дифференцирования сложной функции. Например, $ (y^2)"_x = 2yy" $. После нахождения производной необходимо выразить $ y" $ из полученного уравнения и разместить $ y" $ в левой части.
Способ 2
Можно воспользоваться формулой, в которой используются в числителе и знаменателе частные производные неявной функции $ F(x,y(x)) = 0 $. Для нахождения числителя берем производную по $ x $, а для знаменателя производную по $ y $.
Вторую производную неявной функции можно найти с помощью повторного дифференцирования первой производной неявной функции.
Примеры решений
Рассмотрим практические примеры решений на вычисление производной неявно заданной функции.
| Пример 1 |
|
Найти производную неявной функции $ 3x^2y^2 -5x = 3y - 1 $ |
| Решение |
|
Воспользуемся способом №1. А именно продифференцируем левую и правую часть уравнения: $$ (3x^2y^2 -5x)"_x = (3y - 1)"_x $$ Не забываем при дифференцировании использовать формулу производной произведения функций: $$ (3x^2)"_x y^2 + 3x^2 (y^2)"_x - (5x)"_x = (3y)"_x - (1)"_x $$ $$ 6x y^2 + 3x^2 2yy" - 5 = 3y" $$ $$ 6x y^2 - 5 = 3y" - 6x^2 yy" $$ $$ 6x y^2 - 5 = y"(3-6x^2 y) $$ $$ y" = \frac{6x y^2 - 5}{3 - 6x^2y } $$ Если не получается решить свою задачу, то присылайте её к нам. Мы предоставим подробное решение. Вы сможете ознакомиться с ходом вычисления и почерпнуть информацию. Это поможет своевременно получить зачёт у преподавателя! |
| Ответ |
| $$ y" = \frac{6x y^2 - 5}{3 - 6x^2y } $$ |
| Пример 2 |
|
Функция задана неявно, найти производную $ 3x^4 y^5 + e^{7x-4y} -4x^5 -2y^4 = 0 $ |
| Решение |
|
Воспользуемся способом №2. Находим частные производные функции $ F(x,y) = 0 $ Положим $ y $ постоянной и продифференцируем по $ x $: $$ F"_x = 12x^3 y^5 + e^{7x-4y} \cdot 7 - 20x^4 $$ $$ F"_x = 12x^3 y^5 + 7e^{7x-4y} - 20x^4 $$ Считаем теперь $ x $ константой и дифференцируем по $ y $: $$ F"_y = 15x^4 y^4 + e^{7x-4y} \cdot (-4) - 8y^3 $$ $$ F"_y = 15x^4 y^4 - 4e^{7x-4y} - 8y^3 $$ Подставляем теперь в формулу $ y" = -\frac{F"_y}{F"_x} $ и получаем: $$ y" = -\frac{12x^3 y^5 + 7e^{7x-4y} - 20x^4}{15x^4 y^4 - 4e^{7x-4y} - 8y^3} $$ |
| Ответ |
| $$ y" = -\frac{12x^3 y^5 + 7e^{7x-4y} - 20x^4}{15x^4 y^4 - 4e^{7x-4y} - 8y^3} $$ |