Neišreikštinė išvestinė
Kartais x ir y sumaišyti vienoje lygtyje. Nebūtina išsireikšti y: diferencijuok abi lygties puses pagal x. Tik prisimink, kad y pats priklauso nuo x. Todėl po y diferencijavimo atsiranda y′.
Pagrindiniai judesiai
$(y^2)'=2yy'$, $(\sin y)'=\cos y\,y'$, $(e^y)'=e^y y'$. Sandaugai $(xy)'=y+xy'$, nes $x'=1$. Surink visus narius su $y'$ vienoje pusėje, iškelk $y'$ ir padalyk, jei koeficientas nelygus nuliui.
Apskritimas paaiškina sritis
Iš $x^2+y^2=25$ gauname $2x+2yy'=0$, todėl $\displaystyle y'=-\frac{x}{y}$, kai $y\ne0$. Taške $(3;4)$ nuolydis −3/4. Taškuose $(\pm5;0)$ šia formule dalyti negalima: liestinės vertikalios. Visa apskritimo kreivė nėra viena y(x) funkcija, bet jos viršutinę ir apatinę dalis galima nagrinėti atskirai.
Išspręskime kartu
Rask $y'$, jei $x^2+xy+y^2=7$.
- Laikome $y=y(x)$. Todėl $x^{\prime}=1$, o $y^{\prime}$ turi likti išvestinės simboliu.
- Atskirai $(x^2)^{\prime}=2x$, $(xy)^{\prime}=1\cdot y+xy^{\prime}$, $(y^2)^{\prime}=2yy^{\prime}$.
- Konstantos išvestinė nulis. Sudedame: $2x+y+xy^{\prime}+2yy^{\prime}=0$.
- Narius be išvestinės perkeliame į dešinę: $xy^{\prime}+2yy^{\prime}=-2x-y$.
- Kairėje iškeliame $y^{\prime}$: $(x+2y)y^{\prime}=-2x-y$.
- Kai $x+2y\ne0$, padalijame: $\displaystyle y^{\prime}=-\frac{2x+y}{x+2y}$. Prie nulio vardiklyje tašką reikia tirti atskirai.
Atsakymas. $\displaystyle y'=-\frac{2x+y}{x+2y}$.
Apskritimo liestinės nuolydis
Iš lygties $x^2+y^2=9$ rask $y'$ ir jo reikšmę taške $(\sqrt5;2)$.
Užuomina
$y$ priklauso nuo $x$, todėl $(y^2)'=2yy'$.
Pirmas žingsnis
Diferencijuok abi lygties puses: $2x+2yy'=0$.
Sprendimo eiga
- Diferencijuok abi lygties puses: $2x+2yy'=0$.
- Patikriname tašką: $(\sqrt5)^2+2^2=5+4=9$, taigi jis priklauso kreivei.
- Abi puses diferencijuojame pagal $x$: $2x+2yy'=0$. Prie $y^2$ būtinas grandinės daugiklis $y'$.
- Kai $y\ne0$, išsprendžiame lygtį išvestinės atžvilgiu: $\displaystyle y'=-\frac{x}{y}$.
- Taške $(\sqrt5;2)$ liestinės nuolydis yra $\displaystyle -\frac{\sqrt{5}}{2}\approx-1{,}1180$.
- Ties $y=0$ ši formulė netaikoma; apskritimas ten turi vertikalią liestinę.
$\displaystyle y'=-\frac{x}{y}$; nurodytame taške $\displaystyle y'=-\frac{\sqrt{5}}{2}$.
Kai išvestinė slepiasi dviejuose dėmenyse
Iš $xy+y^2=6$ rask $y'$ ir apskaičiuok jį taške $(1;2)$.
Užuomina
Dėmeniui $xy$ reikia sandaugos taisyklės, nes $y=y(x)$.
Pirmas žingsnis
Gauk $y+xy'+2yy'=0$.
Sprendimo eiga
- Gauk $y+xy'+2yy'=0$.
- Taškas tinka: $1\cdot2+2^2=6$.
- Sandaugos išvestinė $(xy)'=y+xy'$, o $(y^2)'=2yy'$. Dešinės pusės konstantos išvestinė nulis.
- Iki iškėlimo lygtis $y+xy^{\prime}+2yy^{\prime}=0$. Atimame $y$: $xy^{\prime}+2yy^{\prime}=-y$. Abiejuose kairės dėmenyse yra bendras $y^{\prime}$.
- Surinkę išvestines gauname $(x+2y)y'=-y$.
- Kai $x+2y\ne0$, $\displaystyle y'=-\frac{y}{x+2y}$.
- Taške $(1;2)$ vardiklis yra $5$, todėl $\displaystyle y'=-\frac{2}{5}=-0{,}4$.
$\displaystyle y'=-\frac{y}{x+2y}$; taške $(1;2)$ išvestinė $\displaystyle -\frac{2}{5}$.
Originalas 3.2: trigonometrinė neišreikštinė lygtis
Rask $y'$, kai $3\sin y+2\cos x=\cos(xy)$.
Užuomina
Diferencijuodamas $\cos(xy)$ prisimink ir grandinę, ir sandaugą.
Pirmas žingsnis
$3\cos y\,y'-2\sin x=-\sin(xy)(y+xy')$.
Sprendimo eiga
- $3\cos y\,y'-2\sin x=-\sin(xy)(y+xy')$.
- Kairėje $(3\sin y)'=3\cos y\,y'$, o $(2\cos x)'=-2\sin x$.
- Dešinėje išorinė kosinuso išvestinė duoda $-\sin(xy)$, vidinės sandaugos išvestinė yra $y+xy'$.
- Iki surinkimo: $3\cos y\,y^{\prime}-2\sin x=-y\sin(xy)-x\sin(xy)y^{\prime}$. Pridedame $x\sin(xy)y^{\prime}$ ir $2\sin x$ abiejose pusėse, paskui iškeliame bendrą išvestinę.
- Išskleidžiame ir surenkame: $(3\cos y+x\sin(xy))y'=2\sin x-y\sin(xy)$.
- Kai koeficientas $3\cos y+x\sin(xy)\ne0$, padalijame ir gauname išvestinę. Formulė skirta lygtį tenkinančios diferencijuojamos šakos taškams.
- Patikra ties $x=0$: lygtis reikalauja $3\sin y=-1$. Ten $\cos y\ne0$, o išvestinės formulė duoda $y'=0$.
$\displaystyle y'=\frac{2\sin x-y\sin(xy)}{3\cos y+x\sin(xy)}$, kai vardiklis nelygus nuliui.
Originalas 3.4: arktangentas su xy
Rask $y'$, kai $y=\arctan(xy)$.
Užuomina
Arktangento išvestinė duoda vardiklį $1+(xy)^2$, o vidus – $y+xy'$.
Pirmas žingsnis
$\displaystyle y'=\frac{y+xy'}{1+x^2y^2}$.
Sprendimo eiga
- $\displaystyle y'=\frac{y+xy'}{1+x^2y^2}$.
- Naudojame grandinės taisyklę: $\displaystyle [\arctan(xy)]'=\frac{(xy)'}{1+(xy)^2}$.
- Diferencijuota pradinė lygtis $\displaystyle y^{\prime}=\frac{y+xy^{\prime}}{1+x^2y^2}$, nes $(xy)^{\prime}=y+xy^{\prime}$. Tik tada visą lygtį dauginame iš vardiklio.
- Padauginame iš visada teigiamo $1+x^2y^2$: $(1+x^2y^2)y'=y+xy'$.
- Surenkame išvestines: $(1+x^2y^2-x)y'=y$.
- Kai $1+x^2y^2-x\ne0$, gauname $\displaystyle y'=\frac{y}{1+x^2y^2-x}$.
- Patikra: šaka $y=0$ tenkina pradinę lygtį visiems $x$. Formulė joje duoda $0$ visur, išskyrus $x=1$, kur gauname $\displaystyle \frac{0}{0}$; ši konkreti šaka ten vis tiek turi išvestinę $0$.
$\displaystyle y'=\frac{y}{1+x^2y^2-x}$, kai vardiklis nelygus nuliui.
Originalas 3.6: suma kosinuso viduje
Rask $y'$, kai $xy=\cos(x+y)$.
Užuomina
Kairėje reikia sandaugos, dešinėje – grandinės taisyklės.
Pirmas žingsnis
$y+xy'=-\sin(x+y)(1+y')$.
Sprendimo eiga
- $y+xy'=-\sin(x+y)(1+y')$.
- Sandaugos išvestinė $(xy)'=y+xy'$, nes $x'=1$.
- Kosinuso vidinės funkcijos $x+y$ išvestinė yra $1+y'$, todėl dešinėje gauname $-\sin(x+y)(1+y')$.
- Išskleista lygtis $y+xy^{\prime}=-\sin(x+y)-\sin(x+y)y^{\prime}$. Pridedame $\sin(x+y)y^{\prime}$ ir atimame $y$: $xy^{\prime}+\sin(x+y)y^{\prime}=-y-\sin(x+y)$.
- Išskleidę ir perkėlę dėmenis gauname $(x+\sin(x+y))y'=-y-\sin(x+y)$.
- Kai $x+\sin(x+y)\ne0$, dalijame iš šio koeficiento. Prie nulio vardiklyje ši formulė netaikoma ir tašką reikia tirti atskirai.
$\displaystyle y'=-\frac{y+\sin(x+y)}{x+\sin(x+y)}$, kai vardiklis nelygus nuliui.
Originalas 3.8: ženklas y minus x viduje
Rask $y'$, kai $x^3-y^3=3\sin(y-x)$.
Užuomina
Vidinės funkcijos $y-x$ išvestinė yra $y'-1$.
Pirmas žingsnis
$3x^2-3y^2y'=3\cos(y-x)(y'-1)$.
Sprendimo eiga
- $3x^2-3y^2y'=3\cos(y-x)(y'-1)$.
- Prieš dalybą iš $3$ turime $3x^2-3y^2y^{\prime}=3\cos(y-x)(y^{\prime}-1)$. Vidinės funkcijos išvestinė $(y-x)^{\prime}=y^{\prime}-1$.
- Diferencijuojame abi puses ir padalijame iš $3$: $x^2-y^2y'=\cos(y-x)(y'-1)$.
- Dešinėje išskleidžiame skliaustus: $\cos(y-x)y'-\cos(y-x)$.
- Narius be išvestinės perkeliame į kairę, su išvestine – į dešinę: $x^2+\cos(y-x)=[y^2+\cos(y-x)]y'$.
- Kai $y^2+\cos(y-x)\ne0$, gauname santykio formulę.
- Patikra: šaka $y=x$ tenkina pradinę lygtį. Joje formulė duoda $\displaystyle \frac{x^2+1}{x^2+1}=1$, kaip ir turi būti.
$\displaystyle y'=\frac{x^2+\cos(y-x)}{y^2+\cos(y-x)}$, kai vardiklis nelygus nuliui.
Originalas 3.14: kosinusas su dalmeniu
Rask $y'$, kai $\displaystyle y=x+\cos(\frac{x}{y})$, $y\ne0$.
Užuomina
Viduje yra dalmuo: $\displaystyle (\frac{x}{y})'=\frac{y-xy'}{y^2}$.
Pirmas žingsnis
$\displaystyle y'=1-\sin(\frac{x}{y})\frac{y-xy'}{y^2}$.
Sprendimo eiga
- $\displaystyle y'=1-\sin(\frac{x}{y})\frac{y-xy'}{y^2}$.
- Kosinusui taikome grandinės taisyklę, o jo vidui – dalybos taisyklę. Pradinė sąlyga $y\ne0$ būtina.
- Visas diferencijavimo žingsnis $\displaystyle y^{\prime}=1-\sin(\frac{x}{y})\frac{y-xy^{\prime}}{y^2}$. Tik iš čia dauginame visą lygtį iš $y^2$, įskaitant ir kairę pusę.
- Padauginame visą lygtį iš $y^2$: $\displaystyle y^2y'=y^2-y\sin(\frac{x}{y})+x\sin(\frac{x}{y})y'$.
- Surinkę išvestines gauname $\displaystyle [y^2-x\sin(\frac{x}{y})]y'=y^2-y\sin(\frac{x}{y})$.
- Kai papildomai $\displaystyle y^2-x\sin(\frac{x}{y})\ne0$, padalijame ir gauname išvestinę.
- Patikra: taškas $(0;1)$ priklauso kreivei, nes $1=0+\cos0$. Formulė duoda $y'=1$.
$\displaystyle y'=\frac{y^2-y\sin(\frac{x}{y})}{y^2-x\sin(\frac{x}{y})}$, kai $y\ne0$ ir vardiklis nelygus nuliui.