Олег ОдинцовОбыкновенные дифференциальные уравнения
Справочник по элементарным функциям
Методы вычисления неопределенных интегралов

Производная функции, заданной параметрическим способом

Производная параметрической функции
Формула производной функции, заданной параметрическим способом. Доказательство и примеры применения этой формулы. Примеры вычисления производных первого, второго и третьего порядка.

Пусть функция задана параметрическим способом:
(1)  
где некоторая переменная, называемая параметром. И пусть функции и имеют производные при некотором значении переменной . Причем и функция имеет обратную функцию в некоторой окрестности точки . Тогда функция (1) имеет в точке производную  , которая, в параметрическом виде, определяется по формулам:
(2)  

Здесь и – производные функций и по переменной (параметру) . Их часто записывают в следующем виде:
;
.

Тогда систему (2) можно записать так:

Доказательство

По условию, функция имеет обратную функцию. Обозначим ее как
.
Тогда исходную функцию можно представить как сложную функцию:
.
Найдем ее производную, применяя правила дифференцирования сложной и обратной функций:
.

Правило доказано.

Доказательство вторым способом

Найдем производную вторым способом, исходя из определения производной функции в точке :
.
Введем обозначение:
.
Тогда и предыдущая формула принимает вид:
.

Воспользуемся тем, что функция имеет обратную функцию , в окрестности точки .
Введем обозначения:
;   ;
;   .
Разделим числитель и знаменатель дроби на :
.
При , . Тогда
.

Правило доказано.

Производные высших порядков

Чтобы найти производные высших порядков, надо выполнять дифференцирование несколько раз. Допустим, нам надо найти производную второго порядка от функции, заданной параметрическим способом, следующего вида:
(1)  

По формуле (2) находим первую производную, которая также определяется параметрическим способом:
(2)  

Обозначим первую производную, посредством переменной :
.
Тогда, чтобы найти вторую производную от функции по переменной , нужно найти первую производную от функции по переменной . Зависимость переменной от переменной также задана параметрическим способом:
(3)  
Сравнивая (3) с формулами (1) и (2), находим:

Теперь выразим результат через функции и . Для этого подставим    и применим формулу производной дроби:
.
Тогда
.

Отсюда получаем вторую производную функции по переменной :
\left\{ \begin{array}{l} \frac{d^2 y}{dx^2} \equiv y''_{xx} = \frac{y''(t) x'(t) - y'(t) x''(t)}{(x'(t))^3},\\ x = x(t). \end{array} \right.
Она также задана в параметрическом виде. Заметим, что первую строку также можно записать следующим образом:
.

Продолжая процесс, можно получить производные функции от переменной третьего и более высоких порядков.

Заметим, что можно не вводить обозначение для производной . Можно записать так:
;
.

Пример 1

Найдите производную от функции, заданной параметрическим способом:

Решение

Находим производные и по .
Из таблицы производных находим:
;
.
Применяем формулу производной сложной функции:

.
Здесь .

.
Здесь .

Искомая производная:
.

Ответ

Пример 2

Найдите производную от функции, выраженной через параметр :

Решение

Раскроим скобки, применяя формулы для степенных функций и корней:
.

Находим производную :

.

Находим производную . Для этого введем переменную и применим формулу производной сложной функции.

.

Находим искомую производную:
.

Ответ

Пример 3

Найдите производные второго    и третьего    порядков от функции, заданной параметрическим способом в примере 1:

Решение

В примере 1 мы нашли производную первого порядка:

Введем обозначение . Тогда функция является производной по . Она задана параметрическим способом:

Чтобы найти вторую производную по , нам надо найти первую производную по .

Дифференцируем по .
.
Производную по мы нашли в примере 1:
.
Производная второго порядка по равна производной первого порядка по :
.

Итак, мы нашли производную второго порядка по в параметрическом виде:

Теперь находим производную третьего порядка. Введем обозначение . Тогда нам нужно найти производную первого порядка от функции , которая задана параметрическим способом:

Находим производную по . Для этого перепишем в эквивалентном виде:
.
Из таблицы производных находим:
;
.
Применяем правило дифференцирования сложной функции:
;

.
Выносим постоянную за знак производной и применяем формулу производной произведения:


.

Производная третьего порядка по равна производной первого порядка по :
.

Замечание

Можно не вводить переменные и , которые являются производными    и  , соответственно. Тогда можно записать так:
;
;
;
;
;
;
;
;
.

Ответ

В параметрическом представлении, производная второго порядка имеет следующий вид:

Производная третьего порядка:

Опубликовано: