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112 政治大學微積分(應數大二一) 第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分(應數大二一)

112學年度 · 112微積分應數大二一 · 第 2 題

題目

Problem

2. Let (cosx)siny=1(\cos x)^{\sin y} = 1. Find dydx\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}. (10%)

解答

解法一

思路

展開
  1. 給定隱函數方程 (cosx)siny=1(\cos x)^{\sin y} = 1,要求對應的導數 dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}
  2. 我們對兩邊取自然對數以化去指數: ln[(cosx)siny]=ln(1)    sinylncosx=0\ln\left[ (\cos x)^{\sin y} \right] = \ln(1) \implies \sin y \cdot \ln|\cos x| = 0
  3. 第一步:使用隱函數微分法,對 xx 進行求導(利用乘積法則與連鎖律): ddx(sinylncosx)=0\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left( \sin y \cdot \ln|\cos x| \right) = 0 (cosydydx)lncosx+siny(sinxcosx)=0\left( \cos y \cdot \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \right) \cdot \ln|\cos x| + \sin y \cdot \left( \frac{-\sin x}{\cos x} \right) = 0
  4. 第二步:整理出 dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} 的代數關係式dydxcosylncosx=sinytanx    dydx=sinytanxcosylncosx=tanytanxlncosx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \cos y \ln|\cos x| = \sin y \tan x \implies \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \frac{\sin y \tan x}{\cos y \ln|\cos x|} = \frac{\tan y \tan x}{\ln|\cos x|}

答題過程

展開

給定隱函數方程式為:

(cosx)siny=1(\cos x)^{\sin y} = 1

我們對等號兩側取自然對數:

sinylncosx=ln(1)=0\sin y \cdot \ln|\cos x| = \ln(1) = 0

對此式兩邊關於 xx 求導,利用乘積法則與連鎖律:

ddx(siny)lncosx+sinyddx(lncosx)=0\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} (\sin y) \cdot \ln|\cos x| + \sin y \cdot \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(\ln|\cos x|) = 0 (cosydydx)lncosx+siny(sinxcosx)=0\left( \cos y \cdot \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \right) \ln|\cos x| + \sin y \left( \frac{-\sin x}{\cos x} \right) = 0 dydxcosylncosxsinytanx=0\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \cos y \ln|\cos x| - \sin y \tan x = 0

移項並求導出 dydx\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}

dydxcosylncosx=sinytanx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \cos y \ln|\cos x| = \sin y \tan x

cosy0\cos y \neq 0lncosx0\ln|\cos x| \neq 0 時,兩側同除以 cosylncosx\cos y \ln|\cos x|

dydx=sinytanxcosylncosx=tanytanxlncosx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \frac{\sin y \tan x}{\cos y \ln|\cos x|} = \frac{\tan y \tan x}{\ln|\cos x|}
Note

幾何本質分析: 方程式 sinylncosx=0\sin y \cdot \ln|\cos x| = 0 的幾何圖像由以下兩組直線構成:

  1. siny=0    y=nπ\sin y = 0 \implies y = n\pi (其中 nZn \in \mathbb{Z},為一系列水平直線),在此分支上 dydx=0\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = 0
  2. lncosx=0    cosx=±1    x=mπ\ln|\cos x| = 0 \implies \cos x = \pm 1 \implies x = m\pi (其中 mZm \in \mathbb{Z},為一系列垂直直線),在此分支上 dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} 無定義。

代數求導所得的公式 dydx=tanytanxlncosx\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \frac{\tan y \tan x}{\ln|\cos x|},在水平直線分支 y=nπy = n\pi 上,因為 tan(nπ)=0\tan(n\pi) = 0,其值確實為 00,與幾何事實完全吻合。

結論: 導數為 dydx=tanytanxlncosx\displaystyle \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \frac{\tan y \tan x}{\ln|\cos x|}