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v1 · padrão canônico

Lição 54 — Derivada implícita

Derivar y definido implicitamente por equação F(x, y) = 0. Regra da cadeia, tangente a curvas implícitas, segunda derivada implícita.

Used in: Equiv. Math III japonês (implícita + funções inversas) · Equiv. Klasse 11 LK alemão · H2 Math singapurense (derivadas de curvas)

ddx[F(x,y)]=0    dydx=F/xF/y\frac{d}{dx}\bigl[F(x,y)\bigr] = 0 \;\Longrightarrow\; \frac{dy}{dx} = -\frac{\partial F/\partial x}{\partial F/\partial y}
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Rigorous notation, full derivation, hypotheses

정의와 음함수 정리

동기

평면 곡선은 yy를 명시적으로 분리하기 불가능하거나 불편한 경우 F(x,y)=0F(x, y) = 0 형태로 주어질 수 있습니다. 원 x2+y2=r2x^2 + y^2 = r^2과 데카르트의 폴리움 x3+y3=3axyx^3 + y^3 = 3axy는 정전 예제입니다. 음함수 미분이 이 장애를 극복하는 방법입니다.

형식적 절차

F(x,y)=0F(x, y) = 0이 점 (a,b)(a, b) 근처에서 yyxx의 함수로 정의한다고 합시다.

정전 예제: 원

x2+y2=r2x^2 + y^2 = r^2

미분하면: 2x+2yy=02x + 2y\,y' = 0이므로 y=xyy' = -\dfrac{x}{y} (단, y0y \neq 0).

고전 곡선 표

곡선방정식 F(x,y)=0F(x,y)=0dy/dxdy/dx
x2+y2r2=0x^2 + y^2 - r^2 = 0x/y-x/y
타원x2/a2+y2/b21=0x^2/a^2 + y^2/b^2 - 1 = 0(b2x)/(a2y)-(b^2 x)/(a^2 y)
쌍곡선x2/a2y2/b21=0x^2/a^2 - y^2/b^2 - 1 = 0(b2x)/(a2y)(b^2 x)/(a^2 y)
데카르트의 폴리움x3+y33axy=0x^3 + y^3 - 3axy = 0(ayx2)/(y2ax)(ay - x^2)/(y^2 - ax)

"If the equation that relates xx and yy cannot be solved for yy explicitly, we can still find yy' by differentiating the equation implicitly." — OpenStax Calculus Volume 1, §3.8

음함수 정리(1차원 경우)

언제 실패하나요. Fy(a,b)=0F_y(a, b) = 0이면 곡선이 그 점에서 수직 접선을 가지거나 국소적으로 함수를 정의하지 않을 수 있습니다. 예: 원의 (±r,0)(\pm r, 0) 점에서 Fy=2y=0F_y = 2y = 0입니다.

2계 음함수 미분

y=Fx/Fyy' = -F_x/F_yddx\tfrac{d}{dx}를 다시 적용하고, 몫의 법칙을 사용하며, yyxx에 의존함을 상기합니다.

풀이 예제

Exercise list

40 exercises · 10 with worked solution (25%)

Application 22Understanding 6Modeling 8Challenge 3Proof 1
  1. Ex. 54.1Application

    x2+y2=1x^2 + y^2 = 1에 대해 dy/dxdy/dx를 구하세요.

  2. Ex. 54.2Application

    타원 x2/4+y2/9=1x^2/4 + y^2/9 = 1에 대해 dy/dxdy/dx를 계산하세요.

  3. Ex. 54.3Application

    xy=1xy = 1에 대해 음함수 미분으로 dy/dxdy/dx를 계산합니다. y=1/xy = 1/x를 직접 미분한 것과 일치함을 확인하세요.

  4. Ex. 54.4Application

    쌍곡선 x2/9y2/16=1x^2/9 - y^2/16 = 1에 대해 dy/dxdy/dx를 계산하세요.

  5. Ex. 54.5Application

    x3+y3=6xyx^3 + y^3 = 6xy에 대해 dy/dxdy/dx를 계산하세요.

  6. Ex. 54.6Application

    x22xy+3y2=1x^2 - 2xy + 3y^2 = 1에 대해 dy/dxdy/dx를 계산하세요.

  7. Ex. 54.7ApplicationAnswer key

    x2y+xy2=6x^2 y + xy^2 = 6에 대해 dy/dxdy/dx를 계산하세요.

  8. Ex. 54.8Application

    tany=x\tan y = x에 대해 dy/dxdy/dx를 계산합니다. 그 결과를 arctanx\arctan x의 미분으로 해석하세요.

  9. Ex. 54.9ApplicationAnswer key

    ey=xye^y = xy에 대해 dy/dxdy/dx를 계산하세요.

  10. Ex. 54.10Application

    ln(xy)=x+y\ln(xy) = x + y에 대해 dy/dxdy/dx를 계산하세요.

  11. Ex. 54.11ApplicationAnswer key

    x+y=4\sqrt{x} + \sqrt{y} = 4에 대해 dy/dxdy/dx를 구하고 점 (1,9)(1, 9)에서 계산하세요.

  12. Ex. 54.12ApplicationAnswer key

    cos(x+y)=y\cos(x + y) = y에 대해 dy/dxdy/dx를 계산하세요.

  13. Ex. 54.13Application

    sin(xy)=x\sin(xy) = x에 대해 dy/dxdy/dx를 계산하세요.

  14. Ex. 54.14Application

    y3+3y=xy^3 + 3y = x에 대해 dy/dxdy/dx를 계산하고 미분이 모든 점에서 존재하는지 논의합니다.

  15. Ex. 54.15ApplicationAnswer key

    x2+y2=25x^2 + y^2 = 25에서 점 (3,4)(3, 4)의 접선을 구하세요.

  16. Ex. 54.16Application

    타원 x2+4y2=16x^2 + 4y^2 = 16에서 점 (2,3)(2, \sqrt{3})의 접선을 구하세요.

  17. Ex. 54.17Application

    x2+xy+y2=7x^2 + xy + y^2 = 7에서 점 (1,2)(1, 2)의 접선을 구하세요.

  18. Ex. 54.18ApplicationAnswer key

    x3+y3=9x^3 + y^3 = 9에서 점 (1,2)(1, 2)의 접선을 구하세요.

  19. Ex. 54.19Application

    ysinx=xcosyy\sin x = x\cos y에 대해 dy/dxdy/dx를 계산하세요.

  20. Ex. 54.20Application

    x2+y2=1x^2 + y^2 = 1에 대해 모든 수평 및 수직 접선의 점을 구합니다.

  21. Ex. 54.21Application

    데카르트의 폴리움 x3+y3=3xyx^3 + y^3 = 3xy에 대해 dy/dxdy/dx를 계산하고 수평 접선의 점들을 구합니다.

  22. Ex. 54.22Application

    데카르트의 폴리움 x3+y3=3xyx^3 + y^3 = 3xy에서 점 (3/2,3/2)(3/2, 3/2)의 접선을 구합니다.

  23. Ex. 54.23Modeling

    이상 기체 법칙 PV=nRTPV = nRT에서 TT를 상수로 유지하면서 음함수 미분으로 dP/dVdP/dV를 구합니다.

  24. Ex. 54.24ModelingAnswer key

    곡선 y2+xy=12y^2 + xy = 12에 대해 수평 또는 수직 접선이 있는 점이 있는지 판단합니다.

  25. Ex. 54.25Modeling

    미시경제학에서 무차별 곡선 U(x1,x2)=UˉU(x_1, x_2) = \bar{U}는 소비자를 무관심하게 하는 두 재화의 조합을 나타냅니다. 음함수 미분을 사용하여 dx2/dx1dx_2/dx_1을 구합니다 — 한계 대체율.

  26. Ex. 54.26Modeling

    렘니스케이트 (x2+y2)2=2(x2y2)(x^2+y^2)^2 = 2(x^2-y^2)에서 점 (3/2,1/2)(\sqrt{3}/2, 1/2)dy/dxdy/dx를 계산합니다.

  27. Ex. 54.27Modeling

    y=xxy = x^x(x>0x > 0)인 경우 대수 미분으로 yy'를 구합니다.

  28. Ex. 54.28Modeling

    y=xsinxy = x^{\sin x}(x>0x > 0)인 경우 대수 미분으로 yy'를 구합니다. x=πx = \pi에서 계산합니다.

  29. Ex. 54.29Modeling

    x2+y2=r2x^2 + y^2 = r^2에 대해 d2y/dx2d^2y/dx^2x,y,rx, y, r의 항으로 구합니다. y>0y > 0에 대한 yy''의 부호를 해석합니다.

  30. Ex. 54.30Modeling

    타원 x2/a2+y2/b2=1x^2/a^2 + y^2/b^2 = 1에 대해 dy/dxdy/dxd2y/dx2d^2y/dx^2를 계산합니다.

  31. Ex. 54.31Understanding

    음함수 정리를 적용하기 위해 조건 Fy0F_y \neq 0이 필요한 이유는 무엇입니까?

  32. Ex. 54.32UnderstandingAnswer key

    명시적으로 yy를 분리하고 미분하는 것과 비교하여 음함수 미분의 주요 장점은 무엇입니까?

  33. Ex. 54.33Understanding

    음함수 미분을 사용하여 원 x2+y2=r2x^2 + y^2 = r^2의 접선이 접점에서 반지름에 항상 수직임을 보입니다.

  34. Ex. 54.34Understanding

    곡선 F(x,y)=0F(x,y)=0에 대해 접선이 존재하거나, 수직일 수 있는 경우와 점이 특이인 경우를 설명합니다.

  35. Ex. 54.35Understanding

    x2+y2=r2x^2 + y^2 = r^2을 암시적으로 미분하는 것이 y=±r2x2y = \pm\sqrt{r^2-x^2}을 명시적으로 미분하는 것과 같은 결과를 주는지 확인합니다.

  36. Ex. 54.36UnderstandingAnswer key

    xx에 대해 exy=x+ye^{xy} = x + y를 암시적으로 미분할 때 ddx[ey]\frac{d}{dx}[e^y]는 무엇입니까? 왜 단순히 eye^y가 아닙니까?

  37. Ex. 54.37Challenge

    곡선 x4+y4=1x^4 + y^4 = 1에 대해 모든 수평 및 수직 접선의 점을 구합니다.

  38. Ex. 54.38Challenge

    타원 x2/a2+y2/b2=1x^2/a^2 + y^2/b^2 = 1에 대해 yy''을 암시적으로 계산하고 타원 방정식을 사용하여 단순화합니다. (응답: y=b4/(a2y3)y'' = -b^4/(a^2 y^3).)

  39. Ex. 54.39ChallengeAnswer key

    sin(xy)+cos(x+y)=1\sin(xy) + \cos(x+y) = 1에 대해 (0,0)(0, 0)에서 dy/dxdy/dx를 계산합니다. 점이 직접 공식에 대해 특이인 이유를 설명합니다.

  40. Ex. 54.40Proof

    증명. xa=ealnxx^a = e^{a\ln x}를 사용하여 연쇄법칙으로 (xa)=axa1(x^a)' = ax^{a-1}aRa \in \mathbb{R}에 대해 증명합니다(x>0x > 0). 증명이 aa가 무리수인 경우를 왜 커버하는지 설명합니다.

출처

  • Active Calculus 2.0 — Boelkins · 2024 · §2.7 (Derivatives of Functions Given Implicitly). 주요 출처. 라이센스 CC-BY-NC-SA 4.0.
  • OpenStax Calculus Volume 1 — OpenStax · 2016 · §3.8 (Implicit Differentiation). 라이센스 CC-BY-NC-SA 4.0.
  • APEX Calculus — Hartman et al. · 2024 · v5 · §2.6 (Implicit Differentiation). 라이센스 CC-BY-NC 4.0.

Updated on 2026-05-05 · Author(s): Clube da Matemática

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