方企勤 第二章 一元函数微分学 第9题

教材习题

📝 题目

例 9 设函数 $y = y\left( x\right)$ 由 $\frac{{x}^{2}}{{a}^{2}} + \frac{{y}^{2}}{{b}^{2}} = 1$ 确定,求 ${y}^{\prime \prime }$ .

💡 答案解析

解法 1 对隐函数方程两边求一次导, 得

$$ 2\frac{x}{{a}^{2}} + \frac{2}{{b}^{2}}y{y}^{\prime } = 0. \tag{1.6} $$

由此求出 ${y}^{\prime } = - \frac{{b}^{2}x}{{a}^{2}y}$ . 对方程 (1.6) 两边再求一次导,得

$$ \frac{2}{{a}^{2}} + \frac{2}{{b}^{2}}y{y}^{\prime \prime } + \frac{2}{{b}^{2}}{\left( {y}^{\prime }\right) }^{2} = 0. \tag{1.7} $$

用 ${y}^{\prime }$ 代入 (1.7) 式,即可解出

$$ {y}^{\prime \prime } = \frac{1}{2}\frac{{b}^{2}}{y}\left( {-\frac{2}{{a}^{2}} - \frac{2{b}^{2}{x}^{2}}{{a}^{4}{y}^{2}}}\right) = - \frac{{b}^{4}}{{a}^{2}{y}^{3}}\left( {\frac{{x}^{2}}{{a}^{2}} + \frac{{y}^{2}}{{b}^{2}}}\right) = - \frac{{b}^{4}}{{a}^{2}{y}^{3}}. $$

解法 2 由椭圆的参数方程 $x = a\cos t,y = b\sin t$ 得

$$ \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{\;d}x} = - \frac{b\cos t}{a\sin t}, $$

$$ \frac{{\mathrm{d}}^{2}y}{\mathrm{\;d}{x}^{2}} = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left( \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{\;d}x}\right) = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left( \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{\;d}x}\right) \cdot \frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{\;d}x} = \frac{\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left( {-\frac{b\cos t}{a\sin t}}\right) }{\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{\;d}t}} $$

$$ = - \frac{b}{{a}^{2}{\sin }^{3}t} = - \frac{{b}^{4}}{{a}^{2}{y}^{3}}. $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:对隐函数方程两边求导,得到一阶导数表达式
对方程 x^2/a^2 + y^2/b^2 = 1 两边关于 x 求导,得到 2x/a^2 + (2y/b^2) y' = 0,解得 y' = - (b^2 x)/(a^2 y)。
公式:2x/a^2 + (2y/b^2) y' = 0
提示:注意 y 是 x 的函数,求导时需使用链式法则。
步骤 2/4
目标:对一阶导数方程再次求导,得到二阶导数表达式
对 2x/a^2 + (2y/b^2) y' = 0 两边再关于 x 求导,得到 2/a^2 + (2/b^2) y y'' + (2/b^2) (y')^2 = 0。
公式:2/a^2 + (2/b^2) y y'' + (2/b^2) (y')^2 = 0
提示:再次使用链式法则,注意 (y y')' = y' y' + y y''。
步骤 3/4
目标:代入一阶导数,化简得到二阶导数
将 y' = - (b^2 x)/(a^2 y) 代入上式,解得 y'' = - (b^4)/(a^2 y^3)。
公式:y'' = - (b^4)/(a^2 y^3)
提示:代入后利用原方程 x^2/a^2 + y^2/b^2 = 1 化简。
步骤 4/4
目标:利用参数方程求解(解法2)
由椭圆参数方程 x = a cos t, y = b sin t,求导得 dy/dx = - (b cos t)/(a sin t),再求二阶导得 d^2y/dx^2 = - b/(a^2 sin^3 t) = - b^4/(a^2 y^3)。
公式:d^2y/dx^2 = - b/(a^2 sin^3 t)
提示:注意 dt/dx = 1/(dx/dt) = -1/(a sin t)。

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