Логарифмическая производная. Производная неявно и параметрически заданных функций

Подготовка к экзамену «Элементы высшей математики» · Вопрос №5 · 50 задач

Часть I. Теория

1. Логарифмическая производная

Логарифмической производной функции \( y = y(x) \) называется производная от натурального логарифма её модуля:

\[ \bigl(\ln|y|\bigr)' = \frac{y'}{y}, \qquad\text{откуда}\qquad y' = y\cdot\bigl(\ln|y|\bigr)'. \]

Приём логарифмического дифференцирования: обе части равенства \( y = f(x) \) логарифмируем, затем дифференцируем полученное равенство по \( x \) (слева получается \( y'/y \)), и наконец выражаем \( y' \), умножая результат на исходную функцию \( y \).

Когда применять:

1) для степенно-показательных функций вида \( y = u(x)^{\,v(x)} \), где и основание, и показатель зависят от \( x \) (например, \( x^x \), \( (\sin x)^{\cos x} \)); обычные формулы для степенной и показательной функций здесь по отдельности неприменимы;

2) для громоздких произведений, частных и корней: логарифм превращает произведение в сумму, частное — в разность, степень и корень — в множитель, что резко упрощает дифференцирование.

\[ y = u(x)^{\,v(x)} \;\Longrightarrow\; \ln y = v\ln u \;\Longrightarrow\; y' = u^{\,v}\left( v'\ln u + v\,\frac{u'}{u} \right). \]

2. Производная неявно заданной функции

Пусть функция \( y = y(x) \) задана неявно уравнением

\[ F(x,\,y) = 0. \]

Правило: дифференцируем обе части уравнения по \( x \), помня, что \( y \) — функция от \( x \) (поэтому, например, \( (y^2)' = 2y\,y' \), \( (\sin y)' = y'\cos y \), \( (xy)' = y + x y' \)). Из полученного равенства выражаем \( y' \). Как правило, \( y' \) выражается через обе переменные \( x \) и \( y \).

Для нахождения второй производной \( y'' \) полученное равенство (или выражение для \( y' \)) дифференцируем по \( x \) ещё раз, снова считая \( y \) функцией от \( x \), и подставляем найденное ранее \( y' \). Часто результат упрощается с помощью исходного уравнения кривой.

3. Производная параметрически заданной функции

Пусть функция задана параметрически: \( x = x(t) \), \( y = y(t) \), где \( x(t), y(t) \) дифференцируемы и \( x'_t \neq 0 \). Тогда

\[ y'_x = \frac{y'_t}{x'_t}, \qquad\qquad y''_{xx} = \frac{\bigl(y'_x\bigr)'_t}{x'_t}. \]

То есть первая производная по \( x \) равна отношению производных по параметру; вторая производная получается дифференцированием уже найденной функции \( y'_x(t) \) по параметру \( t \) с последующим делением на \( x'_t \). Обе производные, как правило, выражаются через параметр \( t \).

Способ заданияКлючевая формулаТипичная запись ответа
Степенно-показательная \( y=u^v \)\( \dfrac{y'}{y} = (v\ln u)' \)\( y' = u^v\!\left(v'\ln u + \dfrac{v u'}{u}\right) \)
Неявная \( F(x,y)=0 \)дифференцируем обе части, \( y=y(x) \)\( y' = y'(x,\,y) \)
Параметрическая \( x=x(t),\ y=y(t) \)\( y'_x = \dfrac{y'_t}{x'_t} \), \( y''_{xx} = \dfrac{(y'_x)'_t}{x'_t} \)\( y'_x = y'_x(t) \)

Разобранные примеры

Пример 1. Найти \( y' \), если \( y = (\cos x)^{\sin x} \).

Шаг 1. Функция степенно-показательная — логарифмируем обе части (\( \cos x > 0 \)): \[ \ln y = \sin x \cdot \ln\cos x. \]

Шаг 2. Дифференцируем обе части по \( x \); слева — логарифмическая производная \( y'/y \), справа — производная произведения: \[ \frac{y'}{y} = \cos x \cdot \ln\cos x + \sin x \cdot \frac{-\sin x}{\cos x} = \cos x\,\ln\cos x - \frac{\sin^2 x}{\cos x}. \]

Шаг 3. Умножаем на \( y = (\cos x)^{\sin x} \): \[ y' = (\cos x)^{\sin x}\left( \cos x\,\ln\cos x - \frac{\sin^2 x}{\cos x} \right). \]

Пример 2. Функция \( y(x) \) задана неявно уравнением \( x^2 + xy + y^2 = 3 \). Найти \( y' \) и \( y'' \).

Шаг 1. Дифференцируем обе части по \( x \), считая \( y = y(x) \): \[ 2x + (y + x y') + 2y\,y' = 0. \]

Шаг 2. Группируем слагаемые с \( y' \) и выражаем его: \[ y'(x + 2y) = -(2x + y) \quad\Longrightarrow\quad y' = -\frac{2x + y}{x + 2y}. \]

Шаг 3. Дифференцируем равенство шага 1 ещё раз по \( x \): \[ 2 + y' + y' + x y'' + 2(y')^2 + 2y\,y'' = 0 \quad\Longrightarrow\quad y'' = -\frac{2\bigl(1 + y' + (y')^2\bigr)}{x + 2y}. \]

Шаг 4. Подставляем \( y' = -\dfrac{2x+y}{x+2y} \) и приводим к общему знаменателю: \[ 1 + y' + (y')^2 = \frac{(x+2y)^2 - (2x+y)(x+2y) + (2x+y)^2}{(x+2y)^2} = \frac{3\bigl(x^2 + xy + y^2\bigr)}{(x+2y)^2} = \frac{9}{(x+2y)^2}, \] где использовано уравнение кривой \( x^2+xy+y^2 = 3 \). Окончательно \[ y'' = -\frac{18}{(x+2y)^3}. \]

Пример 3. Найти \( y'_x \) и \( y''_{xx} \) для функции, заданной параметрически: \( x = \cos t \), \( y = \sin^2 t \).

Шаг 1. Производные по параметру: \[ x'_t = -\sin t, \qquad y'_t = 2\sin t\cos t. \]

Шаг 2. Первая производная: \[ y'_x = \frac{y'_t}{x'_t} = \frac{2\sin t\cos t}{-\sin t} = -2\cos t. \]

Шаг 3. Вторая производная — дифференцируем \( y'_x = -2\cos t \) по \( t \) и делим на \( x'_t \): \[ y''_{xx} = \frac{(y'_x)'_t}{x'_t} = \frac{2\sin t}{-\sin t} = -2. \]

Проверка. Исключая параметр: \( y = \sin^2 t = 1 - \cos^2 t = 1 - x^2 \), откуда \( y' = -2x = -2\cos t \) и \( y'' = -2 \). Результаты совпадают.

Часть II. Задачи (50)

Уровень А — базовый (№ 1–20)
  1. С помощью логарифмической производной найдите \( y' \), если \( y = x^x \).
  2. Найдите \( y' \), если \( y = x^{\ln x} \).
  3. Найдите \( y' \), если \( y = x^{\sqrt{x}} \).
  4. Найдите \( y' \), если \( y = (3x)^{x} \).
  5. Найдите \( y' \), если \( y = x^{1/x} \).
  6. Найдите \( y' \), если \( y = (x^2+1)^{x} \).
  7. Найдите \( y' \), если \( y = (\sqrt{x}\,)^{x} \) (при \( x > 0 \)).
  8. Функция задана неявно: \( x^2 + y^2 = 25 \). Найдите \( y' \).
  9. Функция задана неявно: \( xy = 4 \). Найдите \( y' \) и проверьте результат, выразив \( y \) явно.
  10. Найдите \( y' \) для кривой \( x^2 + y^2 = 2x \).
  11. Найдите \( y' \) для кривой \( y^3 = x \), дифференцируя уравнение неявно.
  12. Найдите \( y' \) для кривой \( x^3 + y^3 = 9 \).
  13. Найдите \( y' \) для кривой \( y^2 = 4x \) в точке \( (1;\,2) \).
  14. Найдите \( y' \) для кривой \( x^2 - y^2 = 5 \).
  15. Найдите \( y' \) для кривой \( xy + y = 3 \).
  16. Функция задана параметрически: \( x = t^2 \), \( y = t^3 \). Найдите \( y'_x \).
  17. Функция задана параметрически: \( x = 2t \), \( y = t^2 - 1 \). Найдите \( y'_x \) и выразите результат через \( x \).
  18. Функция задана параметрически: \( x = \cos t \), \( y = \sin t \). Найдите \( y'_x \).
  19. Функция задана параметрически: \( x = t + 1 \), \( y = t^3 + t \). Найдите \( y'_x \).
  20. Функция задана параметрически: \( x = e^{t} \), \( y = e^{2t} \). Найдите \( y'_x \) и выразите результат через \( x \).
Уровень Б — средний (№ 21–40)
  1. Найдите \( y' \), если \( y = (\sin x)^{\cos x} \).
  2. Найдите \( y' \), если \( y = (\ln x)^{x} \) (при \( x > 1 \)).
  3. Найдите \( y' \), если \( y = (\operatorname{tg} x)^{x} \) (на интервале, где \( \operatorname{tg} x > 0 \)).
  4. С помощью логарифмического дифференцирования найдите \( y' \), если \( y = \sqrt{\dfrac{(x-1)(x-2)}{x-3}} \).
  5. Найдите \( y' \), если \( y = \dfrac{x^3\sqrt{1+x^2}}{(x+2)^2} \) (используйте логарифмическую производную).
  6. Найдите \( y' \), если \( y = (x+1)^2 (x+2)^3 (x+3)^4 \) (используйте логарифмическую производную).
  7. Найдите \( y' \), если \( y = \sqrt[3]{\dfrac{x^2 (x-1)}{x+1}} \).
  8. Функция задана неявно: \( e^{y} + xy = e \). Найдите \( y' \) и вычислите его значение в точке \( (0;\,1) \).
  9. Функция задана неявно: \( \cos(xy) = x \). Найдите \( y' \).
  10. Функция задана неявно: \( \operatorname{tg} y = xy \). Найдите \( y' \).
  11. Функция задана неявно: \( x\sin y + y\cos x = 0 \). Найдите \( y' \).
  12. Функция задана неявно: \( e^{xy} = x + y \). Найдите \( y' \).
  13. Функция задана неявно: \( \ln y + \dfrac{x}{y} = 1 \). Найдите \( y' \).
  14. Составьте уравнение касательной к кривой \( x^3 + y^3 = 2xy \) в точке \( (1;\,1) \).
  15. Составьте уравнение касательной к кривой \( x^2 - xy + y^2 = 3 \) в точке \( (1;\,2) \).
  16. Составьте уравнение касательной к окружности \( x^2 + y^2 - 2x - 4y = 0 \) в точке \( (2;\,4) \).
  17. Функция задана параметрически: \( x = t - \sin t \), \( y = 1 - \cos t \) (циклоида). Найдите \( y'_x \) и вычислите его значение при \( t = \dfrac{\pi}{2} \).
  18. Функция задана параметрически: \( x = 3\cos t \), \( y = 2\sin t \) (эллипс). Найдите \( y'_x \) и вычислите его значение при \( t = \dfrac{\pi}{4} \).
  19. Функция задана параметрически: \( x = t^2 + 1 \), \( y = t^3 - 3t \). Найдите \( y'_x \) и вычислите его значение при \( t = 2 \).
  20. Функция задана параметрически: \( x = e^{t}\cos t \), \( y = e^{t}\sin t \). Найдите \( y'_x \).
Уровень В — повышенный (№ 41–50)
  1. Функция задана неявно: \( x^2 + y^2 = 25 \). Найдите вторую производную \( y'' \) и упростите ответ с помощью уравнения кривой.
  2. Функция задана неявно: \( y + e^{y} = x \). Найдите \( y' \) и \( y'' \) в точке \( (1;\,0) \).
  3. Кривая задана уравнением \( x^2 + 5xy + y^2 - 2x + y - 6 = 0 \). Найдите второй дифференциал \( d^2 y \) в точке \( (1;\,1) \).
  4. Функция задана параметрически: \( x = t^2 \), \( y = t^3 \). Найдите \( y''_{xx} \) и вычислите его значение при \( t = 1 \).
  5. Функция задана параметрически: \( x = \cos t \), \( y = \sin t \). Найдите \( y''_{xx} \) и вычислите его значение при \( t = \dfrac{\pi}{6} \).
  6. Функция задана параметрически: \( x = \ln t \), \( y = t^2 \) (при \( t > 0 \)). Найдите \( y''_{xx} \) и вычислите его значение при \( t = 1 \).
  7. Для циклоиды \( x = t - \sin t \), \( y = 1 - \cos t \) найдите \( y''_{xx} \) и вычислите его значение при \( t = \dfrac{\pi}{2} \).
  8. Кривая задана уравнением \( x^2 + xy + y^2 = 7 \). Найдите \( y' \) и \( y'' \) в точке \( (1;\,2) \).
  9. Функция задана параметрически: \( x = 2t - t^2 \), \( y = 3t - t^3 \). Найдите значение параметра \( t \), при котором \( y'_x = 0 \), и вычислите \( y''_{xx} \) при этом значении \( t \).
  10. Кривая задана уравнением \( y^5 + y = 2x \). Найдите \( y' \) и \( y'' \) в точке \( (1;\,1) \).