隐函数

更新时间:2023-11-30 15:45

如果方程F(x,y)=0能确定y是x的函数,那么称这种方式表示的函数是隐函数。而函数就是指:在某一变化过程中,两个变量x、y,对于某一范围内的x的每一个值,y都有确定的值和它对应,y就是x的函数。这种关系一般用y=f(x)即显函数来表示。F(x,y)=0即隐函数是相对于显函数来说的。

定义

隐函数是由隐式方程所隐含定义的函数。设F(x,y)是某个定义域上的函数。如果存在定义域上的子集D,使得对每个x属于D,存在相应的y满足F(x,y)=0,则称方程确定了一个隐函数。记为y=y(x)。显函数是用y=f(x)来表示的函数,显函数是相对于隐函数来说的。

如果在方程F(x,y)=0中,当x取某区间内的任一值时,相应地总有满足此方程唯一的y值存在,那么方程F(x,y)=0在该区间内确定了一个一元隐函数。类似若有一个三元方程F(x,y,z)=0所确定的二元函数z=f(x,)存在,则有可能确定一个二元隐函数。

求导法则

对于一个已经确定存在且可导的情况下,可以用复合函数求导的链式法则来进行求导。在方程左右两边都对x进行求导,由于y其实是x的一个函数,所以可以直接得到带有 y' 的一个方程,然后化简得到 y' 的表达式。

隐函数导数的求解一般可以采用以下方法:

方法①:先把隐函数转化成显函数,再利用显函数求导的方法求导;

方法②:隐函数左右两边对x求导(但要注意把y看作x的函数);

方法③:利用一阶微分形式不变的性质分别对x和y求导,再通过移项求得的值;

方法④:把n元隐函数看作(n+1)元函数,通过多元函数偏导数的商求得n元隐函数的导数。

举个例子,若欲求z = f(x,y)的导数,那么可以将原隐函数通过移项化为f(x,y,z) = 0的形式,然后通过(式中F'y,F'x分别表示y和x对z的偏导数)来求解。

推理过程

一个函数y=ƒ(x),隐含在给定的方程 中,作为这方程的一个解(函数)。例如

(1)

如果不限定函数连续,则式中正负号可以随x而变,因而有无穷个解;如果限定连续,则只有两个解(一个恒取正号,一个恒取负号);如果限定可微,则要排除x=±1,因而函数的定义域应是开区间(-1半平面时取正号,在下半平面时取负号)。

微分学中主要考虑函数z=F(x,y)与y=ƒ(x)都连续可微的情形。

这时可以利用复合函数的微分法对方程(1)直接进行微分:

(2)

可见,即使在隐函数y=ƒ(x)难于解出的情形,也能够直接算出它的导数,唯一的条件是

(3)

隐函数理论的基本问题就是:在适合原方程(1)的一个点的邻近范围内,在函数F(x,y)连续可微的前提下,什么样的附加条件能使得原方程(1)确定一个惟一的函数y=ƒ(x),不仅单值连续,而且连续可微,其导数由(2)完全确定。隐函数存在定理就用于断定(3)就是这样的一个条件,不仅必要,而且充分。

示例

设方程P(x, y)=0确定y是x的函数,并且可导。如今可以利用复合函数求导公式求出隐函数y对x的导数。

例1 方程 x2+y2-r2=0确定了一个以x为自变量,以y为因变量的数,为了求y对x的导数,将上式两边逐项对x求导,并将y2看作x的复合函数,则有:

(x2)+ (y2)-(r2)=0

即 2x+2yy'=0

于是得y'=-x/y 。

从上例可以看到,在等式两边逐项对自变量求导数,即可得到一个包含y'的一次方程, 解出y'即为隐函数的导数。

例2 求由方程y2=2px所确定的隐函数y=f(x)的导数。

解: 将方程两边同时对x求导,得:

2yy'=2p

解出y'即得

y'=p/y

例3 求由方程y=x ln y所确定的隐函数y=f(x)的导数。

解:将方程两边同时对x求导,得

y’=ln y+xy' /y

解出y'即得 。

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