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113 台綜大微積分(C) 第 3 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分C

113學年度 · 113微積分C · 第 3 題

題目

Problem

3. If y5+5xy+1=0y^5 + 5xy + 1 = 0, find the value of d2ydx2\frac{d^2y}{dx^2} at the point (0,−1)(0, -1). (10%)

解答

解法一:直接隱函數求導法(最速法,不易出錯)

思路

展開
  1. 給定隱函數關係式 y5+5xy+1=0y^5 + 5xy + 1 = 0,要求在點 (0,−1)(0, -1) 處的二階導數 y′′y''。
  2. 第一步:對等式兩側關於 xx 求導以求出一階導數 y′y':
    • ddx(y5+5xy+1)=5y4y′+5y+5xy′=0  ⟹  (y4+x)y′+y=0\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left( y^5 + 5xy + 1 \right) = 5y^4 y' + 5y + 5xy' = 0 \implies (y^4 + x)y' + y = 0。
    • 將點 (0,−1)(0, -1) 代入: ((−1)4+0)y′(0)+(−1)=0  ⟹  y′(0)−1=0  ⟹  y′(0)=1((-1)^4 + 0)y'(0) + (-1) = 0 \implies y'(0) - 1 = 0 \implies y'(0) = 1。
  3. 第二步:對已整理的乘積形式 (y4+x)y′+y=0(y^4+x)y' + y = 0 再次求導以求出 y′′y''(這比將 y′y' 寫成分式再用商求導法則更為簡便且不易出錯):
    • 再次求導: ddx[(y4+x)y′]+y′=(4y3y′+1)y′+(y4+x)y′′+y′=0\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left[ (y^4+x)y' \right] + y' = (4y^3 y' + 1)y' + (y^4+x)y'' + y' = 0
    • 代入已知數值 x=0,y=−1,y′=1x = 0, y = -1, y' = 1 即可求得 y′′y''。

答題過程

展開

我們首先對隱函數等式 y5+5xy+1=0y^5 + 5xy + 1 = 0 的兩側關於自變數 xx 求一階導數(將 yy 視為 xx 的函數,記作 y′y'):

5y4y′+5(1⋅y+x⋅y′)+0=05y^4 y' + 5\left( 1 \cdot y + x \cdot y' \right) + 0 = 0 5y4y′+5y+5xy′=05y^4 y' + 5y + 5x y' = 0

兩側同除以 55:

y4y′+y+xy′=0  ⟹  (y4+x)y′+y=0— (1)y^4 y' + y + x y' = 0 \implies (y^4 + x)y' + y = 0 \quad \text{--- (1)}

我們將點 (x,y)=(0,−1)(x, y) = (0, -1) 代入式 (1) 中,以求出一階導數值 y′y':

((−1)4+0)y′+(−1)=0  ⟹  (1)y′−1=0  ⟹  y′=1\left( (-1)^4 + 0 \right) y' + (-1) = 0 \implies (1)y' - 1 = 0 \implies y' = 1

接下來,我們對式 (1) 的兩側再次關於 xx 求導以求得二階導數 y′′y''。 利用乘積求導法則:

ddx[(y4+x)y′]+y′=0\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left[ (y^4 + x)y' \right] + y' = 0 (4y3y′+1)y′+(y4+x)y′′+y′=0— (2)\left( 4y^3 y' + 1 \right) y' + (y^4 + x)y'' + y' = 0 \quad \text{--- (2)}

我們將已知數值 x=0, y=−1, y′=1x = 0, \ y = -1, \ y' = 1 代入式 (2) 中:

(4(−1)3(1)+1)(1)+((−1)4+0)y′′+1=0\left( 4(-1)^3(1) + 1 \right)(1) + \left( (-1)^4 + 0 \right)y'' + 1 = 0 (−4+1)(1)+(1)y′′+1=0(-4 + 1)(1) + (1)y'' + 1 = 0 −3+y′′+1=0  ⟹  y′′−2=0  ⟹  y′′=2-3 + y'' + 1 = 0 \implies y'' - 2 = 0 \implies y'' = 2

因此,在點 (0,−1)(0, -1) 處的二階導數值為 22。

結論: d2ydx2=2\displaystyle \frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}x^2} = 2。