дипломы,курсовые,рефераты,контрольные,диссертации на заказ

Интегрирование и дифференцирование, матрицы Лекции и задачи Интегрирование и дифференцирование

Производные функции, заданной параметрически

Пусть задана зависимость двух переменных $ x$ и $ y$ от параметра $ t$, изменяющегося в пределах от $ {\alpha}$ до $ {\beta}$:

$\displaystyle x={\varphi}(t); y=\psi(t); t\in({\alpha};{\beta}).$

Пусть функция $ x={\varphi}(t)$ имеет обратную: $ t={\varphi}^{-1}(x)=\Phi(x)$. Тогда мы можем, взяв композицию функций $ y=\psi(t)$ и $ t=\Phi(x)$, получить зависимость $ y$ от $ x$: $ y=\psi(\Phi(x))$. Зависимость величины $ y$ от величины $ x$, заданная через зависимость каждой из них от параметра $ t$ в виде $ x={\varphi}(t), y=\psi(t)$, называется функцией $ y=y(x)$, заданной параметрически.

Производную функции $ y(x)$, заданной параметрически, можно выразить через производные функций $ {\varphi}(t)$ и $ \psi(t)$: поскольку $ y=\psi(\Phi(x))$ и, по формуле производной обратной функции, $ \Phi'(x)=\dfrac{1}{{\varphi}'(\Phi(x))}$, то

$\displaystyle y'_x=\psi'(\Phi(x))\Phi'(x)= \dfrac{\psi'(\Phi(x))}{{\varphi}'(\Phi(x))}= \dfrac{y'_t(t)}{x'_t(t)},$

где $ t=\Phi(x)$ -- значение параметра, при котором получается интересующее нас при вычислении производной значение $ x$.

Заметим, что применение формулы приводит нас к зависимости между $ z=y'_x$ и $ x$, снова выраженной в виде параметрической зависимости: $ y'_x=z(t)$, $ x=x(t)$; второе из этих соотношений -- то же, что участвовало в параметрическом задании функции $ y(x)$. Несмотря на то, что производная не выражена через $ x$ в явном виде, это не мешает решать нам задачи, связанные с нахождением производной, найдя соответствующее значение параметра $ t$. Покажем это на следующем примере.

        Пример 4.22   Пусть зависимость между $ x$ и $ y$ задана параметрически следующими формулами:
$\displaystyle x=\ln(1+t^2); y=\mathop{\rm arctg}\nolimits t.$
Найдём уравнение касательной к графику зависимости $ y(x)$ в точке $ (\ln2;\frac{\pi}{4})$.
Значения $ x=\ln(1+t^2)=\ln2$ и $ y=\mathop{\rm arctg}\nolimits t=\frac{\pi}{4}$ получаются, если взять $ t=1$. Найдём производные $ x$ и $ y$ по параметру $ t$:
$\displaystyle x'_t=(\ln(1+t^2))'_t=\dfrac{2t}{1+t^2}; y'_t=(\mathop{\rm arctg}\nolimits t)'_t=\dfrac{1}{1+t^2}.$
Поэтому
$\displaystyle y'_x=\dfrac{y'_t}{x'_t}=\dfrac{ \dfrac{1}{1+t^2}}{\dfrac{2t}{1+t^2}}= \dfrac{1}{2t}.$
При $ t=1$ получаем значение производной
$\displaystyle y'_x\vert _{t=1}=\frac{1}{2};$
это значение задаёт угловой коэффициент $ k$ искомой касательной. Координаты $ x_0=\ln2$ и $ y_0=\frac{\pi}{4}$ точки касания заданы в условии задачи. Значит, уравнение касательной таково:
$\displaystyle y=y_0+k(x-x_0)=\frac{\pi}{4}+\frac{1}{2}(x-\ln2).$
    

Заметим, что исходя из полученной параметрической зависимости $ y'_x=z(t)$, $ x=x(t)$, мы можем отыскать вторую производную функции $ y$ по переменной $ x$:

$\displaystyle y''_{xx}=(y'_x)'_x=\dfrac{z'_t}{x'_t}.$
        Пример 4.23   Пусть дана та же зависимость между $ y$ и $ x$, что в предыдущем примере:
$\displaystyle x=\ln(1+t^2); y=\mathop{\rm arctg}\nolimits t.$
Найдём выражение для второй производной $ y''_{xx}$ через параметр $ t$. Ранее мы получили, что $ y'_x=z(t)=\dfrac{1}{2t}$. Поэтому $ z'_t=-\dfrac{1}{2t^2}$; производную $ x'_t=\dfrac{2t}{1+t^2}$ мы нашли выше. Получаем:
$\displaystyle y''_{xx}=z'_x=\dfrac{z'_t}{x'_t} =\dfrac{-\dfrac{1}{2t^2}}{\dfrac{2t}{1+t^2}} =-\dfrac{1+t^2}{4t^3}.$
    

Можно получить и явный вид производной второго порядка от параметрически заданной функции, если подставить $ z=\dfrac{y'_t}{x'_t}$ в формулу $ y''_{xx}=z'_x=\dfrac{z'_t}{x'_t}$; при этом получим:

$\displaystyle y''_{xx}=\dfrac{\Bigl(\dfrac{y'_t}{x'_t}\Bigr)'_t}{x'_t}= \dfrac{y''_{tt}x'_t-x''_{tt}y'_t}{(x'_t)^3}.$(4.17)

Главы учебника "Курс лекций высшей математики"

 

Аналитическая геометрия плоскости и поверхности Курс лекций Векторная алгебра. Электронные учебники - MATLAB Компьютерная математика Maple Лекции первого семестра первого курса Дифференциальное исчисление функции Дифференциальные уравнения первого порядка Теория вероятностей. Основные понятия Математический анализ Двойной интеграл Геометрический смысл производной Числовые ряды Степенные ряды Аналитическая геометрия Функции графики задачи Курс лекций Примеры задачи Интегрирование и дифференцирование матрицы ;