題目
Problem
3. Consider the curve given by the equation x3+y=9x3y. (10%)
Find an equation of the tangent line at the point (4,8). (5)
Find dx2d2y at the point (4,8). (6)
解答
(a)
解法一
思路
展開
- 曲線方程式中含分數次方 3y,為簡化求導計算,令 u=y1/3⟹y=u3。
- 曲線轉化為笛卡爾葉形線形式: x3+u3=9xu。
- 已知點為 (x,y)=(4,8)⟹(x,u)=(4,2)。
- 使用隱函數微分求 dxdu,再由連鎖律得到 dxdy=3u2dxdu。
- 利用點斜式求出切線方程。
答題過程
展開
令 u=y1/3⟹y=u3,原方程式寫為:
x3+u3=9xu
此時已知點對應 (x,u)=(4,2)。
對方程式關於 x 隱微分:
3x2+3u2dxdu=9u+9xdxdu⟹(u2−3x)dxdu=3u−x2⟹dxdu=u2−3x3u−x2
將 (x,u)=(4,2) 代入:
dxdu=4−123(2)−16=−8−10=45
由連鎖律:
dxdy=dxd(u3)=3u2dxdu
代入 u=2,dxdu=45:
m=dxdy(4,8)=3(22)⋅(45)=15
切線斜率為 15,通過點 (4,8):
y−8=15(x−4)⟹y=15x−52
故 (5) 處應填入 y=15x−52。
(b)
解法一
思路
展開
- 對 y′=3u2u′ 再次求導:
y′′=6u(u′)2+3u2u′′
- 我們需要求出 u′′=dx2d2u。
- 對 u′=u2−3x3u−x2 使用商法則求導,並代入已知數值: x=4,u=2,u′=5/4。
- 計算出 u′′ 後代回 y′′ 公式。
答題過程
展開
由一階導數公式:
dxdy=3u2dxdu
再次對 x 求導:
dx2d2y=dxd(3u2dxdu)=6u(dxdu)2+3u2dx2d2u
現在求 dx2d2u。已知:
dxdu=u2−3x3u−x2
使用商法則求導:
dx2d2u=(u2−3x)2(3dxdu−2x)(u2−3x)−(3u−x2)(2udxdu−3)
將 x=4,u=2,dxdu=45 代入上式:
-
分子:
[3(45)−8](4−12)−(6−16)[2(2)(45)−3]=(−417)(−8)+20=34+20=54
-
分母:
(4−12)2=64
故:
dx2d2u=6454=3227
代回 dx2d2y 公式:
dx2d2y(4,8)=6(2)(45)2+3(22)(3227)=12(1625)+12(3227)=475+881=8231
故 (6) 處應填入 8231。