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113 台聯大微積分(A2) 第 8 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A2

113學年度 · 113微積分A2 · 第 8 題

題目

Problem

一、填充題:共8題,每題8分、總計64分。請在答案卷上列出題號並依序作答。

(8) Suppose that x2+xy=sinxx^2 + xy = \sin x. Find dy/dx\mathrm{d}y/\mathrm{d}x in terms of xx and yy.

解答

解法一:隱函數直接求導法(常規解法)

思路

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  1. 本題給出隱函數關係式 x2+xy=sinxx^2 + xy = \sin x,要求導函數 dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}(以 xxyy 表示)。
  2. 第一步:對等式兩邊同時關於 xx 求導
    • 注意 yyxx 的函數。對於 xyxy 項,需要套用乘積求導法則ddx(xy)=1y+xy\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} (xy) = 1 \cdot y + x \cdot y'
    • 左邊項求導: 2x+y+xy2x + y + x y'
    • 右邊項求導: cosx\cos x
  3. 第二步:移項並解出 yy'2x+y+xy=cosx    xy=cosx2xy    y=cosx2xyx2x + y + x y' = \cos x \implies x y' = \cos x - 2x - y \implies y' = \frac{\cos x - 2x - y}{x}

答題過程

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給定隱函數關係式:

x2+xy=sinxx^2 + xy = \sin x

兩側同時關於自變數 xx 求導(將 yy 視為 xx 的函數,寫作 yy'):

ddx(x2)+ddx(xy)=ddx(sinx)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} (x^2) + \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} (xy) = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} (\sin x)

利用乘積求導法則求第二項:

2x+(y+xy)=cosx2x + \left( y + x \cdot y' \right) = \cos x 2x+y+xy=cosx2x + y + x y' = \cos x

將含有 yy' 的項留在左側,其餘項移至右側:

xy=cosx2xyx y' = \cos x - 2x - y

假設 x0x \neq 0,同除以 xx 解得 yy'

y=cosx2xyxy' = \frac{\cos x - 2x - y}{x}

解法二:偏微分隱函數公式(另解)

思路

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  1. F(x,y)=x2+xysinx=0F(x, y) = x^2 + xy - \sin x = 0
  2. 根據隱函數求導公式: dydx=FxFy\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = -\frac{F_x}{F_y}
  3. 求偏導數:
    • Fx=2x+ycosxF_x = 2x + y - \cos x
    • Fy=xF_y = x
  4. 代入公式即可。

答題過程

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令二元函數:

F(x,y)=x2+xysinx=0F(x, y) = x^2 + xy - \sin x = 0

對其分別求關於 xxyy 的偏導函數:

  1. 關於 xx 的偏導函數 FxF_xFx=x(x2+xysinx)=2x+ycosxF_x = \frac{\partial}{\partial x} \left( x^2 + xy - \sin x \right) = 2x + y - \cos x
  2. 關於 yy 的偏導函數 FyF_yFy=y(x2+xysinx)=xF_y = \frac{\partial}{\partial y} \left( x^2 + xy - \sin x \right) = x

根據隱函數求導公式:

dydx=FxFy=2x+ycosxx=cosx2xyx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = -\frac{F_x}{F_y} = -\frac{2x + y - \cos x}{x} = \frac{\cos x - 2x - y}{x}

結論: (8) 填入 cosx2xyx\displaystyle \frac{\cos x - 2x - y}{x}