隐函数求导实战演练#
我为你设计了 6 道梯度题,从基础到考研难度,覆盖所有核心考点。
【基础篇】第 1 题:一元隐函数求导#
题目:设函数 y=y(x) 由方程 ex+y+cos(xy)=2 确定,求 dxdy 及该曲线在点 (0,0) 处的切线方程。
思路分析:
- 方程含有 x 和 y 的混合项(ex+y 和 cos(xy)),无法显式解出 y=f(x)。
- 采用直接求导法:两边对 x 求导,遇到 y 就乘 y′,遇到复合函数用链式法则。
- 求切线需要先确定该点是否在曲线上(验证),再代入求斜率。
详细解析:
第一步:验证点 (0,0) 在曲线上
e0+0+cos(0)=1+1=2✓
第二步:方程两边对 x 求导
dxd[ex+y]+dxd[cos(xy)]=dxd[2]
- 对 ex+y:链式法则,ex+y⋅(1+y′)
- 对 cos(xy):链式法则,−sin(xy)⋅(y+xy′)
- 右边:0
得到:
ex+y(1+y′)−sin(xy)(y+xy′)=0
第三步:解出 y′
ex+y+ex+y⋅y′−ysin(xy)−xsin(xy)⋅y′=0
y′[ex+y−xsin(xy)]=ysin(xy)−ex+y
dxdy=ex+y−xsin(xy)ysin(xy)−ex+y
第四步:代入 (0,0) 求切线斜率
y′(0,0)=e0−0⋅sin(0)0⋅sin(0)−e0=1−1=−1
切线方程:
y−0=−1(x−0)⇒x+y=0
【基础篇】第 2 题:公式法速算 + 高阶导数#
题目:设 y=y(x) 由 lnx2+y2=arctanxy 确定,求 dxdy 和 dx2d2y。
思路分析:
- 这题直接求导会比较繁琐(对数+根号+反正切),用公式法更简洁。
- 高阶导数的关键:一阶结果中可能还含有 y,求二阶时必须继续用链式法则,且最后尽量用原方程化简。
详细解析:
第一步:化简原方程
21ln(x2+y2)=arctanxy
设 F(x,y)=21ln(x2+y2)−arctanxy=0
第二步:求偏导数
-
Fx=21⋅x2+y22x−1+(xy)21⋅(−x2y)
=x2+y2x+x2+y2y=x2+y2x+y
-
Fy=21⋅x2+y22y−1+(xy)21⋅x1
=x2+y2y−x2+y2x=x2+y2y−x
第三步:代入公式
dxdy=−FyFx=−x2+y2y−xx2+y2x+y=x−yx+y
第四步:求二阶导数
对 dxdy=x−yx+y 再对 x 求导(注意 y 是 x 的函数):
dx2d2y=(x−y)2(1+y′)(x−y)−(x+y)(1−y′)
将 y′=x−yx+y 代入:
分子 =(1+x−yx+y)(x−y)−(x+y)(1−x−yx+y)
=x−y(x−y+x+y)(x−y)−x−y(x+y)(x−y−x−y)
=x−y2x(x−y)−x−y(x+y)(−2y)
=2x+x−y2y(x+y)=x−y2x(x−y)+2y(x+y)
=x−y2x2−2xy+2xy+2y2=x−y2(x2+y2)
所以:
dx2d2y=(x−y)32(x2+y2)
也可以保留一阶导数形式,视题目要求而定。
【进阶篇】第 3 题:多元隐函数求偏导(考试高频)#
题目:设函数 z=z(x,y) 由方程 x2+y2+z2=yf(yz) 确定,其中 f 可微,求 ∂x∂z 和 ∂y∂z。
思路分析:
- 这是二元隐函数标准题型,方程右边含有抽象函数 f,需要用到链式法则。
- 设 F(x,y,z)=x2+y2+z2−yf(yz)=0,用公式 ∂x∂z=−FzFx。
- 求 Fy 和 Fz 时,注意 f(yz) 是复合函数。
详细解析:
设 F(x,y,z)=x2+y2+z2−yf(yz)=0
求 Fx:
Fx=2x
求 Fz:
Fz=2z−y⋅f′(yz)⋅y1=2z−f′(yz)
求 Fy:
Fy=2y−[f(yz)+y⋅f′(yz)⋅(−y2z)]
=2y−f(yz)+yzf′(yz)
代入公式:
∂x∂z=−2z−f′(yz)2x=f′(yz)−2z2x
∂y∂z=−2z−f′(yz)2y−f(yz)+yzf′(yz)=2z−f′(yz)f(yz)−2y−yzf′(yz)
【进阶篇】第 4 题:隐函数求全微分 + 二阶混合偏导#
题目:设 z=z(x,y) 由方程 ez−xyz=0 确定,求 dz 及 ∂x∂y∂2z。
思路分析:
- 求全微分 dz=∂x∂zdx+∂y∂zdy,本质还是求两个一阶偏导。
- 求二阶混合偏导时,建议先求一阶偏导的表达式,再对另一个变量求偏导,注意 z 仍是 x,y 的函数。
详细解析:
第一步:求一阶偏导
设 F(x,y,z)=ez−xyz=0
- Fx=−yz
- Fy=−xz
- Fz=ez−xy
∂x∂z=−ez−xy−yz=ez−xyyz
∂y∂z=−ez−xy−xz=ez−xyxz
第二步:求全微分
dz=ez−xyyzdx+ez−xyxzdy
也可利用原方程 ez=xyz 化简分母:ez−xy=xyz−xy=xy(z−1),则 dz=x(z−1)zdx+y(z−1)zdy
第三步:求 ∂x∂y∂2z
对 ∂x∂z=ez−xyyz 关于 y 求偏导:
∂x∂y∂2z=∂y∂(ez−xyyz)
用商的求导法则,注意 z 是 y 的函数:
分子对 y 求导:z+y∂y∂z
分母对 y 求导:ez∂y∂z−x
∂x∂y∂2z=(ez−xy)2(z+y∂y∂z)(ez−xy)−yz(ez∂y∂z−x)
将 ∂y∂z=ez−xyxz 代入并化简(过程较长,考试时可保留此形式或进一步代入 ez=xyz)。
【提高篇】第 5 题:方程组确定的隐函数(考研难度)#
题目:设 {x+y+z=0x2+y2+z2=1,求 dxdy 和 dxdz。
思路分析:
- 两个方程,三个变量,确定两个一元函数(通常选 x 为自变量,y=y(x),z=z(x))。
- 方法:两个方程两边同时对 x 求导,得到关于 dxdy 和 dxdz 的线性方程组,用消元法或行列式法求解。
详细解析:
第一步:方程两边对 x 求导
方程组 1:x+y+z=0
1+dxdy+dxdz=0...(a)
方程组 2:x2+y2+z2=1
2x+2ydxdy+2zdxdz=0...(b)
第二步:解线性方程组
由 (a):dxdz=−1−dxdy
代入 (b):
2x+2ydxdy+2z(−1−dxdy)=0
2x+2ydxdy−2z−2zdxdy=0
dxdy(2y−2z)=2z−2x
dxdy=y−zz−x
代回求 dxdz:
dxdz=−1−y−zz−x=y−z−(y−z)−(z−x)=y−z−y+z−z+x=y−zx−y
dxdz=y−zx−y
验证:也可直接用雅可比行列式公式:
dxdy=−∂(y,z)∂(F,G)∂(x,z)∂(F,G)
【综合篇】第 6 题:隐函数 + 极值 + 几何应用(压轴题)#
题目:设函数 z=z(x,y) 由方程 2x2+2y2+z2+8xz−z+8=0 确定,求 z=z(x,y) 的极值。
思路分析:
- 求隐函数的极值,关键是找驻点:∂x∂z=0,∂y∂z=0。
- 由隐函数求导公式,这等价于 Fx=0,Fy=0(前提是 Fz=0)。
- 找到驻点后,再用二阶偏导判别极值。
详细解析:
设 F(x,y,z)=2x2+2y2+z2+8xz−z+8=0
第一步:求驻点条件
∂x∂z=−FzFx=0⇒Fx=4x+8z=0⇒x=−2z
∂y∂z=−FzFy=0⇒Fy=4y=0⇒y=0
第二步:代入原方程求 z
将 x=−2z,y=0 代入原方程:
2(−2z)2+2(0)2+z2+8(−2z)z−z+8=0
8z2+z2−16z2−z+8=0
−7z2−z+8=0
7z2+z−8=0
(7z+8)(z−1)=0
得 z1=1,z2=−78
对应驻点:
- P1:x=−2,y=0,z=1
- P2:x=716,y=0,z=−78
第三步:二阶判别
求 Fxx=4,Fxy=0,Fyy=4,Fxz=8,Fyz=0,Fzz=2
隐函数二阶偏导公式(在驻点处):
A=∂x2∂2z=−FzFxx,B=∂x∂y∂2z=−FzFxy,C=∂y2∂2z=−FzFyy
-
在 P1(−2,0,1):Fz=2z+8x−1=2+(−16)−1=−15
A=−−154=154,B=0,C=−−154=154
AC−B2=22516>0,A>0 → 极小值 z=1
-
在 P2(716,0,−78):Fz=2(−78)+8(716)−1=−716+7128−1=7112−7=15
A=−154,B=0,C=−154
AC−B2=22516>0,A<0 → 极大值 z=−78
结论:
极小值 z(−2,0)=1,极大值 z(716,0)=−78