| Ilmutamata funktsiooni diferentseerimine |
|---|
Õppetund
Teooria — Ilmutamata diferentseerimine
Isegi kui võrrandist F(x, y) = 0 ei saa y-it ilmutada, on joonel igas siledas punktis ikkagi tõus: dy/dx = −F_x/F_y. See valem seob korraga nii x-i kui ka y-it ning kaotab kehtivuse seal, kus F_y = 0.
Mida iga sümbol tähendab
F_x- ∂F/∂x, funktsiooni F osatuletis x järgi, hoides y-i püsivana
F_y- ∂F/∂y, funktsiooni F osatuletis y järgi, hoides x-i püsivana; seal, kus see on 0, puudub tõusuvalemil väärtus
Kust valem tuleb
- Diferentseeri piki joont. Vaatle y-it x-i funktsioonina ning diferentseeri võrrandit F(x, y(x)) = 0. Iga x-i sisaldav liige diferentseerub tavapäraselt. Iga y-i sisaldav liige saab aga ahelreegli tõttu juurde teguri y′. Saadud liidetavad on F_x ja F_y·y′ ning nende summa on 0.
- Avalda y′. Kõikjal, kus F_y ei ole null, jaga sellega läbi. Tõus avaldub korraga nii x-i kui ka y kaudu, mistõttu ei piisa ainult x-ist, vaid tarvis on tervet punkti: ühele x-le võib vastata mitu punkti ja mitu eri tõusu.
- Kui F_y = 0. Valemil pole millegagi jagada. Kui F_x ei ole seal null, on puutuja vertikaalne. Kui aga ka F_x on null, annab valem kuju 0/0 ega ütle midagi — nagu Descartes'i lehe ristumiskohas.
- Eeldab
- Funktsioonil F on vaadeldava punkti ümbruses pidevad osatuletised. Kolmel kaasasoleval kõveral leitakse x kohal asuvad punktid kinnisel kujul. Ise sisestatud kõvera korral otsitakse neid numbriliselt, jälgides funktsiooni F märgimuutu piki y-telge vahemikus −8 kuni 8, mistõttu võib sellest vahemikust välja jääv punkt või koht, kus F puudutab väärtust 0 seda läbimata, märkamata jääda.
Ülesanded täielikult lahendatud
-
Ringjoone puutuja 3 sammu
Leia võrrandist x² + y² = 25 tuletis dy/dx ning puutuja punktis (3, 4).
-
Diferentseeri mõlemat poolt, vaadeldes y-it x-i funktsioonina. Ahelreegli tõttu lisandub y² tuletise kõrvale y′:
-
Koonda y′ ja avalda see:
-
Punktis (3, 4), seejärel seda punkti läbiv leitud tõusuga sirge:
Vastus
y′ = −x/y ning puutuja punktis (3, 4) on y = −3x/4 + 25/4. Leht kuvab seal F_x = 6 ja F_y = 8 ning tõus ongi −6/8. Puutuja on risti raadiusega, mille tõus on 4/3.
-
-
Korrutis kõvera võrrandis 3 sammu
Leia võrrandist x²y + y² = 2 tuletis dy/dx ning selle väärtus punktis (1, 1).
Näita lahendust
-
Diferentseeri mõlemat poolt. x²y on korrutis ja annab seetõttu kaks liiget, ning iga y toob kaasa y′:
-
Koonda y′-ga liikmed ja avalda:
-
Punktis (1, 1):
Vastus
y′ = −2xy/(x² + 2y) ning punktis (1, 1) saame −2/3. Lehel: Enda oma, x^2*y + y^2 = 2, x = 1. Kuvatakse F_x = 2 ja F_y = 3.
-
-
y kuup 3 sammu
Leia võrrandist y³ + xy = 2 tuletis dy/dx ning selle väärtus punktis (1, 1).
Näita lahendust
-
Diferentseeri mõlemat poolt. y³ annab ahelreegli järgi 3y²y′ ning xy korrutise reegli järgi y + xy′:
-
Koonda ja avalda:
-
Punktis (1, 1):
Vastus
y′ = −y/(3y² + x) ning punktis (1, 1) saame −1/4. Seda kõverat ei suuda keegi ühe reaga y suhtes avaldada, ent tõusu leidmiseks polnud seda vajagi.
-
-
Kus pööratud ellips on horisontaalne 3 sammu
Leia kõvera x² + xy + y² = 3 punktid, kus puutuja on horisontaalne.
Näita lahendust
-
Diferentseeri ja avalda y′ nagu varem:
-
Tõus on null seal, kus lugeja on null. Asenda y = −2x kõvera võrrandisse:
-
Need kaks punkti:
Vastus
(1, −2) ja (−1, 2). Punktis (1, −2) kuvab leht F_x = 0 ning tõusuks 0. Punktides (2, −1) ja (−2, 1), kus nulliks osutub hoopis nimetaja, on puutuja vertikaalne.
-
-
Funktsiooni ln x tuletis 3 sammu
Leia võrduse eʸ = x abil funktsiooni y = ln x tuletis.
Näita lahendust
-
Diferentseeri võrduse eʸ = x mõlemat poolt. Vasakul on tegu liitfunktsiooniga, mis annab eʸ korda y′:
-
Avalda y′ ning kasuta veel kord seost eʸ = x:
-
Nii ongi funktsiooni y = ln x tõus 1/x:
Vastus
(ln x)′ = 1/x. Kohal x = 2 kuvab leht tõusuks 0,5. Kogu arutluskäik toetus vaid eˣ tuletisele; just nii tõestataksegi esmalt ln x reegel.
-
-
Ringjoone teine tuletis 3 sammu
Leia ringjoone x² + y² = 25 teine tuletis y″ ja selle väärtus punktis (3, 4).
Näita lahendust
-
Alusta esimesest tuletisest:
-
Võta jagatise reegliga uus tuletis, asenda y′ seosega −x/y ja arvesta, et x² + y² = 25:
-
Punktis (3, 4):
Vastus
y″ = −25/y³ ning punktis (3, 4) on väärtuseks −25/64 ≈ −0,3906. Teist tuletist leht ise ei arvuta; see kuvab tõusu −0,75, millest siinne arvutuskäik algab.
-
-
Descartes'i lehe tipp 3 sammu
Leia kõvera x³ + y³ = 6xy tõus selle silmuse tipus (3, 3).
Näita lahendust
-
Diferentseeri võrrandi mõlemat poolt. Paremal on korrutis:
-
Kogu kokku y′-ga liikmed ja avalda y′, jagades võrrandi 3-ga läbi:
-
Punktis (3, 3):
Vastus
y′ = −1 punktis (3, 3). Kõver on sümmeetriline sirge y = x suhtes, mistõttu lõikab puutuja seda sirget täisnurga all. Leht kuvab F_x = F_y = 9.
-
-
xy siinus 3 sammu
Leia seosest sin(xy) + y = 1 tuletis dy/dx ja selle väärtus punktis (0, 1).
Näita lahendust
-
Diferentseeri võrrandi mõlemat poolt. Avaldis sin(xy) on liitfunktsioon, mille sees peitub korrutis, seega saame cos(xy) korda xy tuletis:
-
Võta y′ sulgude ette:
-
Punktis (0, 1) on koosinuse väärtus cos 0 = 1:
Vastus
y′ = −y cos(xy)/(x cos(xy) + 1) ning punktis (0, 1) on y′ = −1. Siinuse tuletamiseks on tarvis liitfunktsiooni ja selle sees olevale korrutisele xy korrutise reeglit, mistõttu tekib y′ enne koondamist kahte kohta.
-
-
Kus viltune ellips seisab püsti 3 sammu
Leia kõvera x² + xy + y² = 3 punktid, kus puutuja on vertikaalne, ning kirjuta nende puutujate võrrandid.
Näita lahendust
-
Diferentseerides samamoodi nagu 4. ülesandes, avaldub puutuja tõus murruna:
-
Puutuja on vertikaalne seal, kus murru nimetaja on null ja lugeja mitte. Asenda x = −2y kõvera võrrandisse:
-
Lugeja ei ole kummaski punktis null. Mõlemas punktis on seega vertikaalne puutuja ja kumbki pole määramatus 0/0:
Vastus
Puutuja on vertikaalne punktides (2, −1) ja (−2, 1) ning puutujateks on sirged x = 2 ja x = −2. Need puudutavad ellipsit selle kõige parempoolsemas ja vasakpoolsemas punktis: 4. ülesandes leidsime kohad, kus ellips on horisontaalne, siin aga need, kus ta on kõige laiem.
-
-
Lehe tipp 4 sammu
Leia Descartes'i lehe kõrgeim punkt täpselt ning tee kindlaks, kas see on lehe tipp (3; 3), kus leht lõikub sirgega y = x. Vajuta nuppu Lehe tipp: kohal x = 2,52 on ülemise punkti tõus −0,0002 ehk peaaegu 0, kuid sammuga 0,01 liikuv liugur võimaldab vastust üksnes tõkestada.
Näita lahendust
-
Puutuja on rõhtne seal, kus y′ = 0. See nõuab, et lugeja 2y − x² oleks 0 ja nimetaja samal ajal nullist erinev:
-
Asenda kõvera võrrandisse y = x²/2. Kuna x = 0 tähistab koordinaatide alguspunkti, kus valem annab 0/0, võime jagada avaldisega x³:
-
Niisiis on x arvu 16 kuupjuur ning nimetaja ei ole seal 0:
-
Tipus (3; 3) on tõus −1, järelikult sellest vasakul leht alles tõuseb:
Vastus
Lehe kõrgeim punkt on (24/3; 25/3) ≈ (2,5198; 3,1748), tipust 0,1748 võrra kõrgemal. Selle punkti y-koordinaat võrdub püstise puutuja x-koordinaadiga näites Kus kõver pöördub, sest x-i ja y-i vahetamine jätab võrrandi x³ + y³ = 6xy samaks ning teisendab rõhtsad puutujad püstisteks. Leht arvutab tõusu mistahes valitud punktis, kuid võrrandi y′ = 0 lahendamine jääb algebra hooleks.
-
Lisaülesanded, ainult vastustega
-
Leia võrrandist xy = 6 tuletis dy/dx ja selle väärtus punktis (2, 3).
Näita vastust
y′ = −y/x, seega −3/2 punktis (2, 3)
-
Leia võrrandist x² − y² = 16 tuletis dy/dx.
Näita vastust
y′ = x/y
-
Leia kõvera x³ + y³ = 9 tõus punktis (1, 2).
Näita vastust
y′ = −x²/y², seega −1/4
-
Leia ringjoone x² + y² = 25 normaal punktis (4, −3).
Näita vastust
Puutuja tõus on 4/3, seega normaali tõus on −3/4 ja normaali võrrand y = −3x/4. See sirge läbib keskpunkti, nagu iga ringjoone normaal.
-
Leia seose tan y = x abil funktsiooni y = arctan x tuletis.
Näita vastust
sec²y · y′ = 1 ning sec²y = 1 + tan²y = 1 + x², seega y′ = 1/(1 + x²)
-
Leia võrrandist xy = 1 tuletis y″ ja selle väärtus punktis (1, 1).
Näita vastust
y′ = −y/x ja y″ = 2y/x², seega 2 punktis (1, 1)
Õpitee
Diferentseerimine: kuidas muutumiskiirused seostuvad
Allikad (2)
- The method as the page steps it (differentiate both sides with y a function of x, then solve for dy/dx), the circle x² + y² = 25 with its tangent at (3, −4) (Example 3.71), and the folium in the form x³ + y³ − 3xy = 0 with slope −1 at (3/2, 3/2) (Example 3.72), the a = 1 version of the page's tip (3, 3): G. Strang and E. Herman, Calculus Volume 1, OpenStax (2016), section 3.8, “Implicit Differentiation”.
- That Descartes first discussed the folium in 1638 and believed the leaf was repeated in each quadrant like the petals of a flower (insight block 1), and the asymptote x + y + a = 0 (here a = 2): J. J. O'Connor and E. F. Robertson, “Folium of Descartes”, Famous Curves Index, MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews.