Методы решения физико-математических задач

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.
()( \newcommand{\ctg}{\mathop{\mathrm{ctg}}\nolimits} )()

Формула производной

Пусть функция y =  f (x) задана параметрическим способом:
(1)  
{ 
y = y(t), 
x = x(t), 
 

где t некоторая переменная, называемая параметром. И пусть функции y = y(t) и x = x(t) имеют производные при некотором значении переменной t. Причем x ′(t) ≠ 0 и функция x = x(t) имеет обратную функцию в некоторой окрестности точки t. Тогда функция (1) имеет в точке x = x(t) производную  dydx ≡ y ′x, которая, в параметрическом виде, определяется по формулам:
(2)  
{ 
y ′x = y ′(t)x ′(t), 
x = x(t). 
 

Здесь y ′(t) и x ′(t) – производные функций y = y(t) и x = x(t) по переменной (параметру) t. Их часто записывают в следующем виде:
y ′(t) ≡ y ′t ≡ dydt;
x ′(t) ≡ x ′t ≡ dxdt.

Тогда систему (2) можно записать так:
{ 
dydx =  dydt  dxdt , 
x = x(t). 
 

Доказательство

По условию, функция x = x(t) имеет обратную функцию. Обозначим ее как
t = t(x).
Тогда исходную функцию y =  f (x) можно представить как сложную функцию:
y = y(t(x)).
Найдем ее производную, применяя правила дифференцирования сложной и обратной функций:
dydx = (y(t(x))) ′x = (y(t)) ′t ⋅ (t(x)) ′x = y ′(t) ⋅ dtdx = y ′(t) ⋅ 1dxdt = y ′(t)x ′(t).

Правило доказано.

Доказательство вторым способом

Найдем производную dydx вторым способом, исходя из определения производной функции y =  f (x) в точке x:
dydx = limΔx → 0  f (x + Δx) –  f (x)Δx.
Введем обозначение:
x1 = x + Δx.
Тогда Δx = x1 – x и предыдущая формула принимает вид:
dydx = limx1 → x  f (x1) –  f (x)x1 – x.

Воспользуемся тем, что функция x = x(t) имеет обратную функцию t = t(x), в окрестности точки x.
Введем обозначения:
t = t(x);   t1 = t(x1);
y =  f (x) = y(t);   y1 =  f (x1) = y(t1).
Разделим числитель и знаменатель дроби на t1 – t:
y1 – yx1 – x = y1 – yt1 – tx1 – xt1 – t.
При x1 → x, t1 → t. Тогда
dydx = limx1 → x y1 – yx1 – x = limt1 → t y1 – yt1 – tlimt1 → t x1 – xt1 – t = y ′(t)x ′(t).

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)  
{ 
y = y(t), 
x = x(t). 
 

По формуле (2) находим первую производную, которая также определяется параметрическим способом:
(2)  
{ 
y ′x = y ′(t)x ′(t), 
x = x(t). 
 
Обозначим первую производную, y ′x посредством переменной u:
u = u(t) = y ′(t)x ′(t).
Тогда, чтобы найти вторую производную от функции y по переменной x, нужно найти первую производную от функции u по переменной x. Зависимость переменной u от переменной x также задана параметрическим способом:
(3)  
{ 
u = u(t), 
x = x(t). 
 

Сравнивая (3) с формулами (1) и (2), находим:
{ 
u ′x = u ′(t)x ′(t), 
x = x(t). 
 

Теперь выразим результат через функции y(t) и x(t). Для этого подставим  u(t) = y ′(t)x ′(t)  и применим формулу производной дроби:
u ′(t) = ( y ′(t)x ′(t) ) ′ = y ′′(t)x ′(t) – y ′(t)x ′′(t)(x ′(t)) 2.
Тогда
u ′x = u ′(t)x ′(t) = y ′′(t)x ′(t) – y ′(t)x ′′(t)(x ′(t)) 3.
Отсюда получаем вторую производную функции y по переменной x:
{ 
d 2 ydx 2 ≡ y ′′xx = y ′′(t)x ′(t) – y ′(t)x ′′(t)(x ′(t)) 3, 
x = x(t). 
 

Она также задана в параметрическом виде. Заметим, что первую строку также можно записать следующим образом:
d 2 ydx 2 ≡ y ′′xx = y ′′(t)x ′(t) – y ′(t)x ′′(t)(x ′(t)) 3 ≡ y ′′ttx ′t – y ′tx ′′tt(x ′t) 3.

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

Заметим, что можно не вводить обозначение u для производной y ′x. Можно записать так:
( y ′x ) ′t = ( y ′(t)x ′(t) ) ′ = y ′′(t)x ′(t) – y ′(t)x ′′(t)(x ′(t)) 2;
y ′′xx ≡ ( y ′x ) ′x = ( y ′x ) ′tx ′(t) = y ′′(t)x ′(t) – y ′(t)x ′′(t)(x ′(t)) 3.

Примеры

Все примеры
Здесь мы рассмотрим примеры вычисления производной функций, заданных параметрическим способом.
Ниже рассмотрены следующие примеры.

Пример 1

Все примеры
Найдите производную y ′x от функции, заданной параметрическим способом:
{ 
y = cos 3 t, 
x = sin 3 t. 
 

Решение

Находим производные x и y по t.
Из таблицы производных находим:
( sin t ) ′ = cos t;
( cos t ) ′ = –sin t.
Применяем формулу производной сложной функции:
y ′t = ( cos 3 t ) ′ ≡ ( ( cos t ) 3 ) ′ = ( v 3 ) ′t = ( v 3 ) ′v ⋅ v ′t = 3v 3 – 1 ⋅ ( cos t ) ′t =
 3v 2 ⋅ (–sin t) = –3 cos 2 t ⋅ sin t.
Здесь v = cos t.
x ′t = ( sin 3 t ) ′ ≡ ( ( sin t ) 3 ) ′ = ( w 3 ) ′t = ( w 3 ) ′w ⋅ w ′t = 3w 3 – 1 ⋅ ( sin t ) ′t =
 3w 2 ⋅ cos t = 3 sin 2 t ⋅ cos t.
Здесь w = sin t.

Искомая производная:
y ′x ≡ dydx = dydtdxdt ≡ y ′tx ′t = –3 cos 2 t ⋅ sin t3 sin 2 t ⋅ cos t = – cos tsin t = –ctg t.

Ответ

{ 
dydx ≡ y ′x = –ctg t, 
x = sin 3 t. 
 

Пример 2

Все примеры
Найдите производную dρdθ от функции, выраженной через параметр α:
{ 
ρ = (  45 4 √ α  + 1 )α, 
θ = 4 √ α  e 4 √ α . 
 

Решение

Раскроим скобки, применяя формулы для степенных функций и корней:
ρ = (  45 4 √ α  + 1 )α = (  45 α 1 / 4 + 1 )α = 45 α 1 / 4 α 1 + α = 45 α 14 + 44 + α = 45 α 5 / 4 + α.

Находим производную dρdα:
dρdα = (  45 α 5 / 4 + α ) ′ = 45 ( α 5 / 4 ) ′ + ( α 1 ) ′ = 45 ⋅ 54 α 54 – 1 + 1 ⋅ α 1 – 1 =
 α 1 / 4 + α 0 = α 1 / 4 + 1.

Находим производную dθdα. Для этого введем переменную u = 4 √ α  = α 1 / 4 и применим формулу производной сложной функции.
dθdα = (  4 √ α   e 4 √ α  ) ′α = ( u e u ) ′α = ( u e u ) ′u ⋅ u ′α = ( (u) ′u e u + u ( e u ) ′u ) ⋅ ( α 1 / 4 ) ′α =
 ( 1 ⋅e u + u e u ) ⋅ (  14 α 14 – 1 ) = (1 + u) e u ⋅ (  14 α –3 / 4 ) = 14 (1 + α 1 / 4)α –3 / 4 e 4 √ α .

Находим искомую производную:
dρdθ =  dρdα  dθdα  = α 1 / 4 + 114 (1 + α 1 / 4)α –3 / 4 e 4 √ α  = 4α 3 / 4 e – 4 √ α .

Ответ

{ 
dρdθ = 4α 3 / 4 e – 4 √ α , 
θ = 4 √ α  e 4 √ α . 
 

Пример 3

Все примеры
Найдите производные второго  d 2 ydx 2 ≡ y ′′xx  и третьего  d 3 ydx 3 ≡ y ′′′xxx  порядков от функции, заданной параметрическим способом в примере 1:
{ 
y = cos 3 t, 
x = sin 3 t. 
 

Решение

В примере 1 мы нашли производную первого порядка:
{ 
y ′x = –ctg t, 
x = sin 3 t. 
 

Введем обозначение u = y ′x. Тогда функция u = g(x) является производной y по x. Она задана параметрическим способом:
{ 
u = –ctg t, 
x = sin 3 t. 
 

Чтобы найти вторую производную y по x, нам надо найти первую производную u по x.

Дифференцируем u по t.
u ′t = (–ctg t) ′ =– (ctg t) ′ = 1sin 2 t.
Производную x по t мы нашли в примере 1:
x ′t = 3 sin 2 t ⋅ cos t.
Производная второго порядка y по x равна производной первого порядка u по x:
y ′′xx = u ′x = u ′tx ′t = 1sin 2 t ⋅ 3 sin 2 t ⋅ cos t = 13 sin 4 t ⋅ cos t.

Итак, мы нашли производную второго порядка y по x в параметрическом виде:
{ 
y ′′xx = 13 sin 4 t ⋅ cos t, 
x = sin 3 t. 
 

Теперь находим производную третьего порядка. Введем обозначение v = y ′′xx. Тогда нам нужно найти производную первого порядка от функции v = s(x), которая задана параметрическим способом:
{ 
v = 13 sin 4 t ⋅ cos t, 
x = sin 3 t. 
 

Находим производную v по t. Для этого перепишем v в эквивалентном виде:
v = 13 sin 4 t ⋅ cos t = 13 (sin t) –4 (cos t) –1.
Из таблицы производных находим:
( sin t ) ′ = cos t;
( cos t ) ′ = –sin t.
Применяем правило дифференцирования сложной функции:
( (sin t) –4 ) ′ = ( (w) –4 ) ′t = ( w –4 ) ′w ⋅ w ′t = –4w –4 – 1 ⋅ (sin t) ′t = –4(sin t) –5 ⋅ cos t;
( (cos t) –1 ) ′ = ( (z) –1 ) ′t = ( z –1 ) ′z ⋅ z ′t = –1 ⋅ w –1 – 1 ⋅ (cos t) ′t =
  – (cos t) –2 ⋅ (–sin t) = (cos t) –2 ⋅ sin t.
Выносим постоянную за знак производной и применяем формулу производной произведения:
v ′t = 13 ( (sin t) –4 (cos t) –1 ) ′ = 13 ( ( (sin t) –4 ) ′(cos t) –1+   (sin t) –4 ( (cos t) –1 ) ′ ) =
 13 ( –4(sin t) –5 ⋅ cos t ⋅ (cos t) –1+   (sin t) –4 ⋅ (cos t) –2 ⋅ sin t ) =
 13 ( –4 sin –5 t + sin –3 t ⋅ cos –2 t ) = –4 cos 2 t + sin 2 t3 sin 5 t ⋅ cos 2 t.

Производная третьего порядка y по x равна производной первого порядка v по x:
y ′′′xxx = v ′x = v ′tx ′t = –4 cos 2 t + sin 2 t3 sin 5 t ⋅ cos 2 t ⋅ 3 sin 2 t ⋅ cos t = sin 2 t – 4 cos 2 t9 sin 7 t ⋅ cos 3 t.

Замечание

Можно не вводить переменные u и v, которые являются производными  y ′x ≡ dydx  и  y ′′xx ≡ d 2 ydx 2, соответственно. Тогда можно записать так:
y = cos 3 t;
x = sin 3 t;
y ′t = –3 cos 2 t ⋅ sin t;
x ′t = 3 sin 2 t ⋅ cos t;
y ′x = y ′tx ′t = –ctg t;
( y ′x ) ′t =– (ctg t) ′ = 1sin 2 t;
d 2 ydx 2 ≡ y ′′xx ≡ ( y ′x ) ′x = ( y ′x ) ′tx ′t = 1sin 2 t ⋅ 3 sin 2 t ⋅ cos t = 13 sin 4 t ⋅ cos t;
( y ′′xx ) ′t = 13 ( (sin t) –4 (cos t) –1 ) ′ = ...  = –4 cos 2 t + sin 2 t3 sin 5 t ⋅ cos 2 t;
d 3 ydx 3 ≡ y ′′′xxx ≡ ( y ′′xx ) ′x = ( y ′′xx ) ′tx ′t = sin 2 t – 4 cos 2 t9 sin 7 t ⋅ cos 3 t.

Ответ

В параметрическом представлении, производная второго порядка имеет следующий вид:
{ 
d 2 ydx 2 ≡ y ′′xx = 13 sin 4 t ⋅ cos t, 
x = sin 3 t. 
 

Производная третьего порядка:
{ 
d 3 ydx 3 ≡ y ′′′xxx = sin 2 t – 4 cos 2 t9 sin 7 t ⋅ cos 3 t, 
x = sin 3 t. 
 

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:

▲
Меню