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113 政大微積分(應數大二一) 第 3 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分(應數大二一)

113學年度 · 113微積分(應數大二一) · 第 3 題

題目

Problem

(10%) Find an equation of the tangent line to the curve yesinx=xcosyy e^{\sin x} = x \cos y at the point (0,0)(0, 0).

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題給出一個隱函數方程式 yesinx=xcosyy e^{\sin x} = x \cos y,要求其在點 (0,0)(0, 0) 處的切線方程式。
  2. 切線方程式需要切點(已知為 (0,0)(0, 0))與切線斜率 m=dydx(0,0)m = \left. \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \right|_{(0,0)}
  3. 第一步:隱函數求導
    • 對方程式 yesinx=xcosyy e^{\sin x} = x \cos y 兩邊同時關於 xx 求導(注意對 yy 項求導時需乘上 yy',且兩邊皆需使用乘積與連鎖法則): LHS: yesinx+yesinxcosx\text{LHS: } y' \cdot e^{\sin x} + y \cdot e^{\sin x} \cos x RHS: 1cosy+x(siny)y=cosyxysiny\text{RHS: } 1 \cdot \cos y + x \cdot (-\sin y) y' = \cos y - x y' \sin y
    • 整理出 yy' 的表達式: y(esinx+xsiny)=cosyyesinxcosx    y=cosyyesinxcosxesinx+xsinyy' \left( e^{\sin x} + x \sin y \right) = \cos y - y e^{\sin x} \cos x \implies y' = \frac{\cos y - y e^{\sin x} \cos x}{e^{\sin x} + x \sin y}
  4. 第二步:求切線斜率
    • x=0,y=0x=0, y=0 代入導函數式,求出斜率 mm
  5. 第三步:求切線方程式
    • 利用點斜式寫出方程式。

答題過程

展開

第一步:求隱函數的導數

給定隱函數方程式:

yesinx=xcosyy e^{\sin x} = x \cos y

兩邊同時對 xx 求偏導,注意 yyxx 的函數:

  • 左式微分(乘積與連鎖律): ddx(yesinx)=dydxesinx+y(esinxcosx)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left( y e^{\sin x} \right) = \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} e^{\sin x} + y \left( e^{\sin x} \cos x \right)
  • 右式微分(乘積與連鎖律): ddx(xcosy)=1cosy+x(sinydydx)=cosyxsinydydx\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left( x \cos y \right) = 1 \cdot \cos y + x \cdot \left( -\sin y \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \right) = \cos y - x \sin y \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}

兩側相等:

dydxesinx+yesinxcosx=cosyxsinydydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} e^{\sin x} + y e^{\sin x} \cos x = \cos y - x \sin y \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}

將所有含 dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} 的項移至左側,其餘移至右側:

dydx(esinx+xsiny)=cosyyesinxcosx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \left( e^{\sin x} + x \sin y \right) = \cos y - y e^{\sin x} \cos x

整理得:

dydx=cosyyesinxcosxesinx+xsiny— (1)\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = \frac{\cos y - y e^{\sin x} \cos x}{e^{\sin x} + x \sin y} \quad \text{--- (1)}

第二步:求點 (0,0)(0, 0) 處的切線斜率

x=0,y=0x = 0, y = 0 代入式 (1) 中(注意 sin0=0\sin 0 = 0, cos0=1\cos 0 = 1, e0=1e^0 = 1):

m=dydx(0,0)=cos00e0cos0e0+0sin0=101+0=1m = \left. \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \right|_{(0,0)} = \frac{\cos 0 - 0 \cdot e^0 \cos 0}{e^0 + 0 \cdot \sin 0} = \frac{1 - 0}{1 + 0} = 1

第三步:求切線方程式

已知切線通過點 (0,0)(0, 0),且斜率為 m=1m = 1。使用點斜式:

y0=1(x0)    y=xy - 0 = 1(x - 0) \implies y = x

結論: 切線方程式為 y=xy = x(或寫作 xy=0x - y = 0)。