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? и Производная сложной функции. Если с навыками дифференцирования всё в порядке, тогда поехали, параметрический случай тут, если вы зашли именно за ним.

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.

Пример 2

Найти производную функции, заданной неявно

Навешиваем штрихи на обе части:

Используем правила линейности:

Находим производные:

Раскрываем все скобки:

Собираем все слагаемые с в левой части, остальные – в правой:

В левой части выносим за скобку:

Окончательный ответ:

Пример 3

Найти производную функции, заданной неявно

Полное решение и образец оформления в конце урока.

Не редкость, когда после дифференцирования приходится иметь дело с дробями. В таких случаях от дробей нужно избавляться. Рассмотрим ещё два примера.

Пример 4

Найти производную функции, заданной неявно

Заключаем обе части под штрихи и слева используем правило суммы:

Дифференцируем, используя правило дифференцирования сложной функции и правило дифференцирования частного :

Раскрываем скобки:

Теперь нам нужно избавиться от дроби. Это можно сделать и позже, но рациональнее сделать сразу же. В знаменателе дроби находится . Умножаем каждое слагаемое каждой части на . Если подробно, то выглядеть это будет так:

Иногда после дифференцирования появляется 2-3 дроби. Если бы у нас была еще одна дробь, например, , то операцию нужно было бы повторить – умножить каждое слагаемое каждой части на

Далее алгоритм работает стандартно, после того, как все скобки раскрыты, все дроби устранены, слагаемые, где есть «игрек штрих» собираем в левой части, а в правую часть помещаем всё остальное:

В левой части выносим за скобку:

Окончательный ответ:

Пример 5

Найти производную функции, заданной неявно

Это пример для самостоятельного решения. Единственное, в нём, перед тем как избавиться от дроби, предварительно удобно избавиться от трёхэтажности самой дроби. Полное решение и ответ в конце урока.

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.

Пример 6

Найти производную функции, заданной параметрически

Используем формулу

В данном случае:

Таким образом:

Особенностью нахождения производной параметрической функции является тот факт, что на каждом шаге результат выгодно максимально упрощать. Так, в рассмотренном примере при нахождении я раскрыл скобки под корнем (хотя мог этого и не делать). Велик шанс, что при подстановке и в формулу многие вещи хорошо сократятся. Хотя встречаются, конечно, примеры и с корявыми ответами.

Пример 7

Найти производную функции, заданной параметрически

Это пример для самостоятельного решения.

В статье Простейшие типовые задачи с производной мы рассматривали примеры, в которых требовалось найти вторую производную функции. Для параметрически заданной функции тоже можно найти вторую производную, и находится она по следующей формуле: . Совершенно понятно, что для того чтобы найти вторую производную, нужно сначала найти первую производную.

Пример 8

Найти первую и вторую производные функции, заданной параметрически

Сначала найдем первую производную.
Используем формулу

В данном случае:

Подставляем найденные производные в формулу. В целях упрощений используем тригонометрическую формулу :

Я заметил, что в задаче на нахождение производной параметрической функции довольно часто в целях упрощений приходится использовать тригонометрические формулы. Помните их или держите под рукой, и не пропускайте возможность упростить каждый промежуточный результат и ответы. Зачем? Сейчас нам предстоит взять производную от , и это явно лучше, чем находить производную от .

Найдем вторую производную.
Используем формулу: .

Посмотрим на нашу формулу. Знаменатель уже найден на предыдущем шаге. Осталось найти числитель – производную по переменной «тэ» от первой производной: