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微积分 / 英语

隐函数求导

Khan Academy · YouTube · 8:01

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这段 180 秒的白板摘录通过单位圆方程 x2+y2=1x^2+y^2=1 介绍了隐函数求导。演讲者首先展示圆图并询问如何找到任意一点切线的斜率。然后他解释说整个圆不是 x 的显式函数,指出了将其拆分为 y=1−x2y=\sqrt{1-x^2} 和 y=−1−x2y=-\sqrt{1-x^2} 的诱人变通方法,转而将隐函数求导呈现为链式法则的直接应用。解题设置达到了 ddx[x2+y2]=ddx[1]\frac{d}{dx}[x^2+y^2]=\frac{d}{dx}[1],然后是 ddx[x2]+ddx[y2]=0\frac{d}{dx}[x^2]+\frac{d}{dx}[y^2]=0,但片段在评估各个导数之前结束。 这段 180 秒的白板片段讲解了单位圆方程 x2+y2=1x^2+y^2=1 的隐函数求导。讲解者对两边关于 x 求导,通过幂法则评估 d/dx[x2]=2xd/dx[x^2]=2x,并将 d/dx[y2]d/dx[y^2] 视为链式法则情况,因为 y 是 x 的函数。板书明确将 y2y^2 重写为 (y(x)y(x))^2 并得到 2ydy/dx2y dy/dx。合并各项得到 2x+2ydy/dx=02x+2y dy/dx=0。带有类似切线段的圆图和显式分支公式 y=±√(1−x21-x^2) 保持可见,作为几何和记号背景。片段在讲解者宣布下一步时结束:求解 dy/dxdy/dx,其被确定为任意点处切线的斜率。 这段 121 秒的白板片段继续了单位圆 x2+y2=1x^2+y^2=1 的隐函数求导示例。从 2x+2y(dy/dx)=02x+2y(dy/dx)=0 开始,演示者减去 2x,除以 2y,并化简为 dy/dx=−x/ydy/dx=-x/y。解释强调不需要将 y 显式写为 x 的函数。然后将结果几何地应用:在圆上标记的点 (sqrt(2)/2, sqrt(2)/2) 处,代入得到切线斜率 -1。

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章节

0:00单位圆关系与切线斜率问题0:23为什么圆不是 x 的显式函数0:41作为替代方案的显式上下分支1:08通过链式法则引入隐函数求导1:42对两边求导并简化为设置方程3:00从微分后的圆方程开始3:10对 d/dx[y2]d/dx[y^2] 应用链式法则4:05将 y2y^2 重写为 (y(x)y(x))^24:50评估导数为 2ydy/dx2y dy/dx5:15组装 2x+2ydy/dx=02x+2y dy/dx=05:45准备求解切线斜率6:00设置和链式法则步骤6:15求解 dy/dxdy/dx7:00解释隐式导数7:15在单位圆上评估切线斜率

学习解说文稿

依据视频画面与讲解整理,并非逐字语音转写。

黑板以方程 x2+y2=1x^2+y^2=1 和标记的 x 轴和 y 轴上以原点为中心的蓝绿色圆开场。演讲者将满足该方程的所有点的图像识别为单位圆,并设定了目标:找到该圆上任意一点切线的斜率。

在圆的右下部分添加了一条短的黄色切线段,视觉上隔离了正在寻求其斜率的局部方向。然后演讲者指出了关键障碍:这条曲线并未给出为 y 显式等于 x 的单一函数。

他解释说,相同的 x 值可以在圆上对应两个不同的 y 值,一个在 x 轴上方,一个在下方。这一观察激发了为什么对单个公式 y=f(x)y=f(x) 的普通显式求导不能直接描述整条曲线。

作为一种可能的变通方法,演讲者写下了两个显式分支 y=1−x2y=\sqrt{1-x^2} 和 y=−1−x2y=-\sqrt{1-x^2}。他说可以分别对每个分支求导,从而获得切线斜率,但这需要将圆视为两个单独的函数。

他没有继续那种拆分,而是介绍了本课的方法:隐函数求导。他强调这不是一个脱离早期微积分的全新规则;这是在让 y 保持隐式作为依赖于 x 的东西的同时直接使用链式法则。

标题“Implicit Differentiation”写在示例上方。然后演讲者通过对原始方程两边应用关于 x 的微分算子开始正式程序,产生 ddx[x2+y2]=ddx[1]\frac{d}{dx}[x^2+y^2]=\frac{d}{dx}[1]。

接下来,他在左边使用和法则,将方程重写为 ddx[x2]+ddx[y2]=ddx[1]\frac{d}{dx}[x^2]+\frac{d}{dx}[y^2]=\frac{d}{dx}[1]。在右边,他指出 1 关于 x 是常数,所以它的导数是 0。

黑板现在显示求导设置 ddx[x2]+ddx[y2]=0\frac{d}{dx}[x^2]+\frac{d}{dx}[y^2]=0。演讲者开始将注意力转向第一项,并提到了 ddx[x2]\frac{d}{dx}[x^2] 的幂法则,但摘录在完全评估任一项或解出斜率之前结束。

板书从隐式关系 x2+y2=1x^2+y^2=1 开始,并已经展示了第一步:对两边应用 d/dxd/dx,得到 d/dx[x2+y2]=d/dx[1]d/dx[x^2+y^2]=d/dx[1]。右边变为 0,左边拆分为 d/dx[x2]+d/dx[y2]=0d/dx[x^2]+d/dx[y^2]=0。

x 项很直接:由于 x 是自变量,d/dx[x2]=2xd/dx[x^2]=2x。这直接写在板上相应项的下方。

重要的新步骤是 y 项。因为 y 没有被固定,d/dx[y2]d/dx[y^2] 不能像普通的常数平方那样处理。讲解者指出 y 随 x 变化,所以 y 必须被视为函数 y(x)y(x)。

为了使这种依赖关系可见,表达式被重写为 d/dx[(y(x))2]d/dx[(y(x))^2]。现在链式法则干净地适用:对外层平方关于内层量 y 求导,然后乘以内层量关于 x 的导数。

这给出 d/dx[y2]=d(y2)/dy⋅dy/dxd/dx[y^2]=d(y^2)/dy \cdot dy/dx。外层导数 d(y2)/dyd(y^2)/dy 根据幂法则是 2y,所以整个项变为 2y⋅dy/dx2y\cdot dy/dx。

将两个求导部分代回方程产生 2x+2y⋅dy/dx=02x+2y\cdot dy/dx=0。在这个阶段,未知导数 dy/dxdy/dx 明确出现在代数方程中。

然后讲解者从几何上解释结果:dy/dxdy/dx 是圆上任意点处切线的斜率。最后的口头指令是求解这个方程得到 dy/dxdy/dx,尽管重排本身在片段结束前未完成。

黑板展示了单位圆 x2+y2=1x^2+y^2=1 的隐函数求导问题。画出了一个带有坐标轴的青色圆,并在附近显示了显式分支 y=1−x2y=\sqrt{1-x^2} 和 y=−1−x2y=-\sqrt{1-x^2} 作为对比。已经写下的关键导数步骤是 ddx[y2]=2y⋅dydx\frac{d}{dx}[y^2]=2y\cdot\frac{dy}{dx},标记为链式法则,导致方程 2x+2ydydx=02x+2y\frac{dy}{dx}=0。

为了继续,演示者将 2x+2ydydx=02x+2y\frac{dy}{dx}=0 复制到一个新区域并求解导数。两边减去 2x 得到 2ydydx=−2x2y\frac{dy}{dx}=-2x。两边除以 2y 得到 dydx=−2x2y\frac{dy}{dx}=\frac{-2x}{2y},消去公因子 2 产生简化结果 dydx=−xy\frac{dy}{dx}=-\frac{x}{y}。

演讲者强调了这在概念上的意义:尽管 y 从未被显式重写为 x 的函数,隐函数求导仍然产生了导数。重要的结构性点是答案可能涉及两个变量,这里是 x 和 y 一起,而不仅仅是 x。

然后将结果几何地应用在圆上。在第一象限标记了一个点并确定为 (22,22)\left(\frac{\sqrt{2}}{2},\frac{\sqrt{2}}{2}\right),对应于单位圆上的 45 度位置。将这些坐标代入 dydx=−xy\frac{dy}{dx}=-\frac{x}{y} 得到 m=−2222=−1m=-\frac{\frac{\sqrt{2}}{2}}{\frac{\sqrt{2}}{2}}=-1,因此该点的切线斜率为 -1。

知识卡片

01

作为隐式关系的单位圆

类型:定义。视频引入 x2+y2=1x^2+y^2=1 作为坐标之间的关系,并将其图像识别为以原点为中心的单位圆。重要的一点是,曲线由 x 和 y 的方程指定,而不是由 y 的单个显式公式指定。

x2+y2=1x^2+y^2=1
02

为什么整个圆不是一个函数 y=f(x)y=f(x)

类型:定义 / 误解。演讲者陈述由 x2+y2=1x^2+y^2=1 定义的圆不是 y 被明确定义为 x 的函数。对于典型的允许 x 值,有两个对应的 y 值,一个在上半圆,一个在下半圆。

03

显式分支变通方法

类型:方法。一种可能的途径是解出圆方程中的 y,并将图形拆分为两个函数:上分支 y=1−x2y=\sqrt{1-x^2} 和下分支 y=−1−x2y=-\sqrt{1-x^2}。分别对它们求导会给出切线斜率,但这迫使你处理两种情况。

y=1−x2,y=−1−x2y=\sqrt{1-x^2},\quad y=-\sqrt{1-x^2}
04

隐函数求导的定义

类型:定义。隐函数求导被介绍为直接对涉及 x 和 y 的关系式求导的过程,而不必先解出 y。视频强调该方法从根本上说是链式法则的应用。

05

第一步:对两边求导

类型:方法。对圆方程进行隐函数求导时,先把 ddx\frac{d}{dx} 应用于 x2+y2=1x^2+y^2=1 两边,得到中间等式 ddx[x2+y2]=ddx[1]\frac{d}{dx}[x^2+y^2]=\frac{d}{dx}[1]。

ddx[x2+y2]=ddx[1]\frac{d}{dx}[x^2+y^2]=\frac{d}{dx}[1]
06

在左边使用和法则

类型:方法。和的导数被重写为导数的和,因此左边变为 ddx[x2]+ddx[y2]\frac{d}{dx}[x^2]+\frac{d}{dx}[y^2]。这将纯 x 项与涉及 y 的项分开。

ddx[x2+y2]=ddx[x2]+ddx[y2]\frac{d}{dx}[x^2+y^2]=\frac{d}{dx}[x^2]+\frac{d}{dx}[y^2]
07

右边变为零

类型:公式。由于原始方程的右边是常数 1,它关于 x 的导数是 0。因此,求导设置简化为 ddx[x2]+ddx[y2]=0\frac{d}{dx}[x^2]+\frac{d}{dx}[y^2]=0。

ddx[1]=0\frac{d}{dx}[1]=0
08

此摘录中的解题示例状态

类型:示例。示例要求单位圆在任意一点的切线斜率。在这 180 秒的片段中,解决方案仅设置到方程 ddx[x2]+ddx[y2]=0\frac{d}{dx}[x^2]+\frac{d}{dx}[y^2]=0;最终的斜率公式尚未达到。

ddx[x2]+ddx[y2]=0\frac{d}{dx}[x^2]+\frac{d}{dx}[y^2]=0
09

隐函数求导设置

从关联 x 和 y 的方程开始,然后对两边关于 x 求导,同时将 y 视为 x 的函数。对于单位圆,这意味着对 x2+y2=1x^2+y^2=1 应用 d/dxd/dx。

ddx[x2+y2]=ddx[1]\frac{d}{dx}[x^2+y^2]=\frac{d}{dx}[1]
10

x 项的幂法则

当变量与求导变量匹配时,直接使用普通幂法则。

ddx[x2]=2x\frac{d}{dx}[x^2]=2x
11

y 项的链式法则

因为 y 依赖于 x,项 y2y^2 实际上是 (y(x)y(x))^2。对外层函数关于 y 求导并乘以 dy/dxdy/dx。

ddx[y2]=d(y2)dy⋅dydx=2ydydx\frac{d}{dx}[y^2]=\frac{d(y^2)}{dy}\cdot\frac{dy}{dx}=2y\frac{dy}{dx}
12

圆的微分方程

结合 x 项和经过链式法则处理的 y 项,得到一个关于 dy/dxdy/dx 的线性方程。

2x+2ydydx=02x+2y\frac{dy}{dx}=0
13

dy/dxdy/dx 的含义

通过隐函数求导找到的导数给出了曲线每一点处切线的斜率。

14

x2+y2=1x^2+y^2=1 的隐函数求导

对两边关于 x 求导,同时将 y 视为 x 的函数。项 y2y^2 需要链式法则,给出 2y(dy/dx)2y(dy/dx),因此方程变为 2x+2y(dy/dx)=02x+2y(dy/dx)=0。代数求解得到 dy/dx=−x/ydy/dx=-x/y。

ddx[x2+y2]=ddx[1]  ⇒  2x+2ydydx=0  ⇒  dydx=−xy\frac{d}{dx}[x^2+y^2]=\frac{d}{dx}[1]\;\Rightarrow\;2x+2y\frac{dy}{dx}=0\;\Rightarrow\;\frac{dy}{dx}=-\frac{x}{y}
15

y2y^2 的链式法则步骤

因为 y 依赖于 x,y2y^2 对 x 的导数不仅仅是 2y;必须乘以 dy/dxdy/dx。这是隐函数求导适用于混合 x 和 y 的方程的核心原因。

ddx[y2]=2y⋅dydx\frac{d}{dx}[y^2]=2y\cdot\frac{dy}{dx}
16

导数可能包含 x 和 y

在隐函数求导中,dy/dxdy/dx 的最终公式可以合法地涉及两个变量。这并不意味着导数不完整;它意味着某点的斜率是在代入该点坐标后确定的。

17

单位圆上某点的切线斜率

一旦知道 dy/dx=−x/ydy/dx=-x/y,就在曲线上的特定点对其求值以获得切线斜率。在 (22,22)\left(\frac{\sqrt{2}}{2},\frac{\sqrt{2}}{2}\right) 处,代入得到 -1。

m=−2222=−1m=-\frac{\frac{\sqrt{2}}{2}}{\frac{\sqrt{2}}{2}}=-1

详细学习笔记

按知识点查看条件、步骤和证据。补充解释与视频直接内容分别标明。

符号定义 · 20

x

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    x appears in x2+y2=1x^2+y^2=1, in the explicit branches, 且 in ddx\frac{d}{dx}

  2. 声音
    观察依据

    演讲者提到满足该关系的点 x 和 y,并提到对 x 求导

符号

x

含义

水平轴上的自变量坐标;也是 ddx\frac{d}{dx} 中的微分变量

适用范围

考虑所示圆关系时的实数值;在显式分支公式中,−1≤x≤1-1\le x\le 1

y

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    y appears in x2+y2=1x^2+y^2=1 且 in y=1−x2y=\sqrt{1-x^2}, y=−1−x2y=-\sqrt{1-x^2}

  2. 声音
    观察依据

    演讲者说该圆并未被明确定义为 x 的函数,且每个 x 可能有两个可能的 y 值

符号

y

含义

垂直轴上的因变量坐标;在隐函数求导过程中被视为依赖于 x

适用范围

满足所示关系的实数值;在显式分支公式中,正分支为 0≤y≤10\le y\le 1,负分支为 −1≤y≤0-1\le y\le 0

ddx\frac{d}{dx}

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    ddx\frac{d}{dx} 写在方程两边以及各项之前

  2. 声音
    观察依据

    演讲者说要对两边应用微分算子,并反复说对 x 求导

符号

ddx\frac{d}{dx}

含义

关于变量 x 的微分算子

适用范围

应用于含 x 的表达式以及被视为 x 函数的 y

Implicit Differentiation

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    标题“Implicit Differentiation”写在示例上方

  2. 声音
    观察依据

    演讲者将该方法命名为隐函数求导

符号

Implicit Differentiation

含义

正在介绍的方法名称:在不首先将 y 显式解为 x 的函数的情况下对关系式求导

适用范围

概念标签而非代数符号

x2+y2=1x^2+y^2=1

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    x2+y2=1x^2+y^2=1 显示在左上角,并在图形旁再次出现

  2. 声音
    观察依据

    演讲者陈述了该方程,并说其图像是单位圆

符号

x2+y2=1x^2+y^2=1

含义

笛卡尔平面上以原点为中心的单位圆方程

适用范围

满足该方程的有序对 (x,y)(x,y) 的集合

y=1−x2y=\sqrt{1-x^2}

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    y=1−x2y=\sqrt{1-x^2} 写在黑板右侧

  2. 声音
    观察依据

    演讲者说可以将该关系拆分为两个单独的 x 函数

符号

y=1−x2y=\sqrt{1-x^2}

含义

表示单位圆上半圆的显式正平方根分支

适用范围

定义域为 −1≤x≤1-1\le x\le 1 且 y≥0y\ge 0 的 x 的函数

y=−1−x2y=-\sqrt{1-x^2}

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    y=−1−x2y=-\sqrt{1-x^2} 写在正分支下方

  2. 声音
    观察依据

    演讲者说另一个分支是 1−x21-x^2 的负平方根

符号

y=−1−x2y=-\sqrt{1-x^2}

含义

表示单位圆下半圆的显式负平方根分支

适用范围

定义域为 −1≤x≤1-1\le x\le 1 且 y≤0y\le 0 的 x 的函数

0

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    The differentiated equation ends with =0=0 after ddx[1]\frac{d}{dx}[1]

  2. 声音
    观察依据

    演讲者说常数的导数为零,因为它不随 x 变化

符号

0

含义

常数右边项 1 关于 x 的导数值

适用范围

对常数求导得到的实数结果

ddx[x2]\frac{d}{dx}[x^2]

时间近似
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    演讲者开始讨论第一项,并说幂法则适用于 ddx(x2)\frac{d}{dx}(x^2)

  2. 公式
    观察依据

    可见项 ddx[x2]\frac{d}{dx}[x^2],但在片段结束前未显示完成的导数值

待核验内容
  1. The final evaluated form of ddx[x2]\frac{d}{dx}[x^2] is not reached within this 180-second excerpt.

符号

ddx[x2]\frac{d}{dx}[x^2]

含义

求导后圆方程中显式 x 项的导数

适用范围

关于 x 的普通单变量微分

x

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    x 出现在 x2+y2=1x^2+y^2=1、d/dx[x2]d/dx[x^2]、2x 以及 dy/dxdy/dx 记号中。

  2. 图示
    观察依据

    圆图的横轴标记为 x。

符号

x

含义

自变量 / 水平坐标。

适用范围

隐式方程及关于 x 的导数中的实变量。

y

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    y 出现在 x2+y2=1x^2+y^2=1、d/dx[y2]d/dx[y^2]、2y 以及 dy/dxdy/dx 记号中。

  2. 声音
    观察依据

    讲解者说 y 不是常数,而是随 x 变化。

符号

y

含义

在隐函数求导中被视为 x 的函数的因变量。

适用范围

由 x2+y2=1x^2+y^2=1 隐式定义的函数 y(x)y(x)。

dydx\frac{dy}{dx}

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    dy/dxdy/dx 明确写在链式法则展开式和最终微分方程中。

  2. 声音
    观察依据

    讲解者称其为 y 对 x 的导数,以及任意点处切线的斜率。

符号

dydx\frac{dy}{dx}

含义

因变量 y 关于自变量 x 的导数。

适用范围

通过隐函数求导得到的斜率函数。

知识点 · 16

作为关系式图像的单位圆

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    x2+y2=1x^2+y^2=1 显示了两次,一次作为文本,一次在图形旁边

  2. 图示
    观察依据

    在白色 x 轴和 y 轴上绘制了一个以原点为中心的蓝绿色圆

  3. 声音
    观察依据

    演讲者说绘制所有满足该关系的点 x 和 y 会得到一个单位圆

定义
解释

视频引入方程 x2+y2=1x^2+y^2=1 作为坐标之间的关系,并将其图像识别为以原点为中心的单位圆。重点在于圆是满足该方程的所有点 (x,y)(x,y) 的集合。

公式
x2+y2=1x^2+y^2=1
适用条件
  1. 图像取自在笛卡尔平面上,横轴为 x,纵轴为 y。

  2. 显示的圆半径为 1,中心在原点。

为什么圆不是 x 的显式函数

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    演讲者说这样定义的圆不是一个函数,也不是 y 被明确定义为 x 的函数

  2. 声音
    观察依据

    演讲者补充说,对于任何 x 值,实际上有两个可能的 y 满足该关系

  3. 图示
    观察依据

    当演讲者讨论给定 x 对应多个 y 值时,完整的圆仍然可见

待核验内容
  1. 口头表述“对于任何 x 值”较为宽泛;视觉上,双 y 情况适用于圆的内部 x 值,而非每一个实数 x。

定义
解释

关系式 x2+y2=1x^2+y^2=1 并没有在整个圆上将 y 显式定义为 x 的单值函数。在其意图意义上,大多数允许的 x 值对应两个 y 值,一个在上半圆,一个在下半圆。

公式
适用条件
  1. 该关系被视为 xy 平面上的曲线,而不是单个显式公式 y=f(x)y=f(x)。

  2. 讨论涉及整个圆,而不仅仅是一个半圆。

先修条目
  1. 作为关系式图像的单位圆

将圆拆分为两个显式函数

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    y=1−x2y=\sqrt{1-x^2} 写在右侧

  2. 公式
    观察依据

    y=−1−x2y=-\sqrt{1-x^2} 写在其下方

  3. 声音
    观察依据

    演讲者说你可能会想把它拆分成两个单独的 x 函数,并分别对它们求导

方法
解释

求切线斜率的一种可能途径是解出圆方程中的 y,并将上半部分和下半部分视为 x 的单独函数。视频将此呈现为一种有效但不如隐函数求导方便的替代方案。

公式
y=1−x2且y=−1−x2y=\sqrt{1-x^2}\quad\text{且}\quad y=-\sqrt{1-x^2}
适用条件
  1. 每个分支在 1−x2≥01-x^2\ge 0 的区间上被视为 x 的函数。

  2. 正分支对应上半圆,负分支对应下半圆。

先修条目
  1. 作为关系式图像的单位圆
  2. 为什么圆不是 x 的显式函数

隐函数求导作为基于链式法则的关系式求导

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    演讲者说他想利用链式法则来隐式求导,这样他就不必显式地将 y 定义为 x 的函数

  2. 公式
    观察依据

    标题“Implicit Differentiation”写在示例上方

  3. 声音
    观察依据

    演讲者说这实际上只是链式法则的应用

定义
解释

隐函数求导被介绍为直接对关联 x 和 y 的方程求导的过程,而不必先解出 y。视频强调该方法不是一个无关的新规则,而是当 y 被视为依赖于 x 时链式法则的应用。

公式
适用条件
  1. 起点是涉及 x 和 y 的方程或关系式。

  2. 目标是对 x 求导,同时允许 y 保持隐式状态。

先修条目
  1. 为什么圆不是 x 的显式函数
  2. 将圆拆分为两个显式函数

第一步:对两边关于 x 求导

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    演讲者说做法就是字面上将微分算子应用到这个方程的两边

  2. 公式
    观察依据

    ddx[x2+y2]=ddx[1]\frac{d}{dx}[x^2+y^2]=\frac{d}{dx}[1] 写在原始方程下方

方法
解释

解题设置始于对圆方程两边应用 ddx\frac{d}{dx}。这保持了等式成立,并将原始关系转化为求导后的关系,然后可以逐项简化。

公式
ddx[x2+y2]=ddx[1]\frac{d}{dx}[x^2+y^2]=\frac{d}{dx}[1]
适用条件
  1. 原始方程的两边都关于同一个变量 x 求导。

  2. 该方程被视为曲线上各点之间的恒等式。

先修条目
  1. 隐函数求导作为基于链式法则的关系式求导
  2. 作为关系式图像的单位圆

线性步骤:和的导数变为导数的和

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    演讲者说如果我取两项之和的导数,那就等同于取导数之和

  2. 公式
    观察依据

    ddx[x2]+ddx[y2]=\frac{d}{dx}[x^2]+\frac{d}{dx}[y^2]= 写在下一行

方法
解释

左边使用求导的和法则展开,分离 x 项和 y 项,以便分别处理。

公式
ddx[x2+y2]=ddx[x2]+ddx[y2]\frac{d}{dx}[x^2+y^2]=\frac{d}{dx}[x^2]+\frac{d}{dx}[y^2]
适用条件
  1. 被求导的表达式是有限的项之和。

  2. 求导是关于 x 进行的。

先修条目
  1. 第一步:对两边关于 x 求导

右边的导数为零

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    求导后的方程完成为 ddx[x2]+ddx[y2]=0\frac{d}{dx}[x^2]+\frac{d}{dx}[y^2]=0

  2. 声音
    观察依据

    演讲者说这将等于常数关于 x 的导数,因为它不随 x 变化,所以我们只得到零

公式
解释

因为原始方程的右边是常数 1,所以它关于 x 的导数是 0。这在评估各个项之前得到了中间的求导方程。

公式
ddx[1]=0\frac{d}{dx}[1]=0
适用条件
  1. 右边关于 x 是常数。

  2. 求导是关于 x 的普通微分。

先修条目
  1. 第一步:对两边关于 x 求导

x2+y2=1x^2+y^2=1 的隐函数求导设置

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    板书显示 ddx[x2+y2]=ddx[1]\frac{d}{dx}[x^2+y^2]=\frac{d}{dx}[1],然后是 ddx[x2]+ddx[y2]=0\frac{d}{dx}[x^2]+\frac{d}{dx}[y^2]=0。

  2. 声音
    观察依据

    讲解者解释对圆方程两边关于 x 求导。

方法
解释

要对隐式定义 y 关于 x 的方程求导,需对两边应用 d/dxd/dx,并将 y 视为 x 的函数而非常数。

公式
ddx[x2+y2]=ddx[1]\frac{d}{dx}[x^2+y^2]=\frac{d}{dx}[1]
适用条件
  1. 关系式为 x2+y2=1x^2+y^2=1。

  2. 求导是关于 x 进行的。

  3. 允许 y 依赖于 x。

先修条目
  1. x
  2. y
  3. ddx\frac{d}{dx}
  4. x2+y2=1x^2+y^2=1

x2x^2 关于 x 的导数

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    在 ddx[x2]\frac{d}{dx}[x^2] 下方,板书写着 2x。

  2. 声音
    观察依据

    讲解者说结果是 2 乘以 x 的一次方,即 2x。

公式
解释

由于 x 是自变量,x2x^2 项可以直接通过幂法则求导。

公式
ddx[x2]=2x\frac{d}{dx}[x^2]=2x
适用条件
  1. 求导是关于 x 进行的。

先修条目
  1. x
  2. ddx\frac{d}{dx}

d/dx[y2]d/dx[y^2] 的链式法则处理

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    板书将 ddx[y2]\frac{d}{dx}[y^2] 展开为 d(y2)dy⋅dydx\frac{d(y^2)}{dy}\cdot\frac{dy}{dx}。

  2. 声音
    观察依据

    讲解者反复强调这只是链式法则,并将 y2y^2 重写为 (y(x)y(x))^2。

公式
解释

因为 y 依赖于 x,平方项是一个复合函数:首先对 y2y^2 关于 y 求导,然后乘以 dy/dxdy/dx。

公式
ddx[y2]=d(y2)dy⋅dydx=2ydydx\frac{d}{dx}[y^2]=\frac{d(y^2)}{dy}\cdot\frac{dy}{dx}=2y\frac{dy}{dx}
适用条件
  1. y 是 x 的可微函数。

  2. 表达式 y2y^2 被视为 (y(x)y(x))^2。

先修条目
  1. y
  2. dydx\frac{dy}{dx}
  3. ddx\frac{d}{dx}

单位圆方程的微分形式

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    底行变为 2x+2ydydx=02x+2y\frac{dy}{dx}=0。

  2. 声音
    观察依据

    讲解者说所有这些都将等于零。

公式
解释

在对 x2+y2=1x^2+y^2=1 两边关于 x 求导后,结果是一个关于 dy/dxdy/dx 的线性方程。

公式
2x+2ydydx=02x+2y\frac{dy}{dx}=0
适用条件
  1. 从 x2+y2=1x^2+y^2=1 开始。

  2. 对 y2y^2 项使用链式法则。

先修条目
  1. x2+y2=1x^2+y^2=1 的隐函数求导设置
  2. x2x^2 关于 x 的导数
  3. d/dx[y2]d/dx[y^2] 的链式法则处理

求解 dy/dxdy/dx 作为切线斜率

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    讲解者说现在我们有一个包含 dy/dxdy/dx 的方程,这就是我们本质上要求解的目标。

  2. 公式
    观察依据

    最终显示的方程仅在宣布重排后才隔离未知数,在截止前未完全写出。

待核验内容
  1. 代数隔离步骤已宣布但未在提供的 180 秒片段内完成。

方法
解释

一旦微分方程包含 dy/dxdy/dx,下一步就是代数求解 dy/dxdy/dx;讲解者指出 dy/dxdy/dx 是任意点处切线的斜率。

公式
2x+2ydydx=02x+2y\frac{dy}{dx}=0
适用条件
  1. 微分方程必须包含 dy/dxdy/dx。

  2. 求解 dy/dxdy/dx 以获得斜率函数。

先修条目
  1. 单位圆方程的微分形式
  2. dydx\frac{dy}{dx}
定理与条件 · 8

该关系的图像是单位圆

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    演讲者说绘制所有满足该关系的点 x 和 y 会得到一个单位圆

  2. 图示
    观察依据

    在坐标轴上绘制了一个居中的圆

命题
命题

The set of points (x,y)(x,y) satisfying x2+y2=1x^2+y^2=1 graphs as a unit circle centered at the origin.

前提
  1. 该方程在笛卡尔平面中被解释。

  2. 坐标轴标记为 x 和 y。

量词

对于满足该方程的所有有序对 (x,y)(x,y)。

完整的圆关系并未将 y 显式定义为一个 x 的函数

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    演讲者说这样定义的圆不是一个函数,也不是 y 被明确定义为 x 的函数

  2. 声音
    观察依据

    演讲者说对于任何 x 值,你实际上有两个可能的 y 满足该关系

待核验内容
  1. 口头短语“任何 x 值”比该关系的数学精确定义域更宽泛;视觉上下文表明是圆上的 x 值,特别是内部的 x 值。

命题
命题

关系式 x2+y2=1x^2+y^2=1 并没有在整个圆上将 y 呈现为 x 的单一显式函数;相反,允许的 x 值通常对应两个 y 值。

前提
  1. 该关系被视为整个圆,而不是选定的一个分支。

量词

对于对应于圆上点的 x 值,特别是那些 ∣x∣<1|x|<1 的值,有两个相关的 y 值。

隐函数求导是链式法则的应用

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    演讲者说他将利用链式法则来隐式求导

  2. 声音
    观察依据

    演讲者说隐函数求导实际上只是链式法则的应用

命题
命题

隐函数求导被呈现为不是一个独立的神秘规则,而是当对涉及 y 的表达式关于 x 求导时直接使用链式法则。

前提
  1. y 被视为隐式依赖于 x。

  2. 求导是关于 x 进行的。

量词

对于其中 y 被视为 x 的隐函数的关系式。

常数右边的导数

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    求导后方程的右边写为 0

  2. 声音
    观察依据

    演讲者说常数的导数为零,因为它不随 x 变化

命题
命题

在这个例子中,ddx[1]=0\frac{d}{dx}[1]=0。

前提
  1. 原始方程的右边是常数 1。

  2. 求导是关于 x 进行的。

量词

对于常数函数 1。

在隐函数求导中 y 被视为 x 的函数

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    讲解者说:“我们假设 y 随 x 变化。Y 不是某种常数。”

命题
命题

当对 x2+y2=1x^2+y^2=1 关于 x 求导时,y 必须被视为函数 y(x)y(x),而不是常数。

前提
  1. 方程是关于 x 进行求导的。

  2. y 通过方程与 x 隐式相关。

量词

对于所讨论的隐式关系,y 随 x 变化。

dy/dxdy/dx 代表切线斜率

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    讲解者说:“这是任意点处切线的斜率。”

命题
命题

通过隐函数求导得到的量 dy/dxdy/dx 给出了曲线上任意点处切线的斜率。

前提
  1. 曲线在所考虑的点处是可微的。

  2. dy/dxdy/dx 是关于 x 计算得出的。

量词

在导数存在的任意点。

单位圆关系的导数

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板推导出 2x+2y(dy/dx)=02x+2y(dy/dx)=0,然后写出 dy/dx=−x/ydy/dx=-x/y。

  2. 声音
    观察依据

    演讲者叙述减去 2x 并除以 2y 以隔离 dy/dxdy/dx。

命题
命题

对于 x2+y2=1x^2+y^2=1,将 y 视为 x 的函数,dydx=−xy\frac{dy}{dx}=-\frac{x}{y}。

前提
  1. x2+y2=1x^2+y^2=1。

  2. y 对 x 可微。

  3. 使用商形式时 y≠0y\neq 0。

量词

在隐式关系定义 y(x)y(x) 的可微分支的点处。

(sqrt(2)/2, sqrt(2)/2) 处的切线斜率

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板将 x=2/2x=\sqrt{2}/2 和 y=2/2y=\sqrt{2}/2 代入 -x/y 并化简为 -1。

  2. 声音
    观察依据

    演讲者指出那里的切线斜率为负一。

命题
命题

At the point (22,22)\left(\frac{\sqrt{2}}{2},\frac{\sqrt{2}}{2}\right) on x2+y2=1x^2+y^2=1, the tangent slope is -1.

前提
  1. 该点位于单位圆上。

  2. 使用 dydx=−xy\frac{dy}{dx}=-\frac{x}{y}。

量词

对于这个特定的点。

推导与证明 · 5

单位圆隐函数求导的设置

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板显示了从 x2+y2=1x^2+y^2=1 到 ddx[x2+y2]=ddx[1]\frac{d}{dx}[x^2+y^2]=\frac{d}{dx}[1] 再到 ddx[x2]+ddx[y2]=0\frac{d}{dx}[x^2]+\frac{d}{dx}[y^2]=0 的进程

  2. 声音
    观察依据

    演讲者叙述了对两边应用微分算子,将左边拆分为两个导数,并将右边评估为零

待核验内容
  1. 在此摘录中,推导在评估 ddx[x2]\frac{d}{dx}[x^2] 和 ddx[y2]\frac{d}{dx}[y^2] 之前停止。

严格证明
步骤
  1. 公式
    x2+y2=1x^2+y^2=1
    解释

    从定义单位圆的给定关系开始。

    步骤依据

    这是片段开始时陈述并显示的方程。

    视频直接表达
  2. 公式
    ddx[x2+y2]=ddx[1]\frac{d}{dx}[x^2+y^2]=\frac{d}{dx}[1]
    解释

    对方程两边应用关于 x 的微分算子。

    步骤依据

    演讲者明确说要对方程两边应用微分算子。

    视频直接表达
  3. 公式
    ddx[x2]+ddx[y2]=ddx[1]\frac{d}{dx}[x^2]+\frac{d}{dx}[y^2]=\frac{d}{dx}[1]
    解释

    将左边和的导数分离为两个导数之和。

    步骤依据

    演讲者陈述了两项之和的导数等于导数之和。

    视频直接表达
  4. 公式
    ddx[x2]+ddx[y2]=0\frac{d}{dx}[x^2]+\frac{d}{dx}[y^2]=0
    解释

    用 0 替换右边的导数,因为常数 1 的导数为零。

    步骤依据

    演讲者说右边是常数的导数,因此等于零。

    视频直接表达
结论

到摘录结束时,圆方程已转化为求导后的关系式 ddx[x2]+ddx[y2]=0\frac{d}{dx}[x^2]+\frac{d}{dx}[y^2]=0,为下一步评估每一项做好了准备。

提及但未执行的替代显式分支方法

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    y=1−x2y=\sqrt{1-x^2} 和 y=−1−x2y=-\sqrt{1-x^2} 写在黑板上

  2. 声音
    观察依据

    演讲者说可以将该关系拆分为两个 x 的函数并分别求导

待核验内容
  1. 在此摘录中未显示任一分支的实际导数计算。

直观解释
步骤
  1. 公式
    x2+y2=1x^2+y^2=1
    解释

    从相同的圆关系开始。

    步骤依据

    这是正在讨论的原始方程。

    视频直接表达
  2. 公式
    y=1−x2ory=−1−x2y=\sqrt{1-x^2}\quad\text{or}\quad y=-\sqrt{1-x^2}
    解释

    解出 y 以获得作为 x 的单独函数的上半圆和下半圆。

    步骤依据

    演讲者明确提议将该关系拆分为两个单独的 x 函数。

    视频直接表达
  3. 公式
    dydx for each 分支\frac{dy}{dx}\text{ for each \text{分支}}
    解释

    如果想通过这种方式获得切线斜率,则分别对每个分支求导。

    步骤依据

    演讲者说分别对每个分支求导将允许找到任意点处切线的斜率。

    视频直接表达
结论

视频承认了一种有效的显式函数途径,但仅将其作为引入隐函数求导的动机,而没有在此进一步展开。

单位圆方程的隐函数求导

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    板书序列:x2+y2=1x^2+y^2=1 -> d/dx[x2+y2]=d/dx[1]d/dx[x^2+y^2]=d/dx[1] -> d/dx[x2]+d/dx[y2]=0d/dx[x^2]+d/dx[y^2]=0 -> 2x+d(y2)/dy∗dy/dx=02x + d(y^2)/dy * dy/dx = 0 -> 2x+2ydy/dx=02x+2y dy/dx=0。

  2. 声音
    观察依据

    旁白遵循相同的顺序,并强调对 y2y^2 项使用链式法则。

待核验内容
  1. 隔离 dy/dxdy/dx 的最终重排已宣布但在片段结束前未展示。

严格证明
步骤
  1. 公式
    x2+y2=1x^2+y^2=1
    解释

    从给定的单位圆隐式方程开始。

    步骤依据

    板上显示的给定方程。

    视频直接表达
  2. 公式
    ddx[x2+y2]=ddx[1]\frac{d}{dx}[x^2+y^2]=\frac{d}{dx}[1]
    解释

    对两边关于 x 求导。

    步骤依据

    对两边应用相同算子保持等式成立。

    视频直接表达
  3. 公式
    ddx[x2]+ddx[y2]=0\frac{d}{dx}[x^2]+\frac{d}{dx}[y^2]=0
    解释

    将导数拆分到和中,并利用常数的导数为 0。

    步骤依据

    微分的线性性质和常数的导数。

    视频直接表达
  4. 公式
    ddx[x2]=2x\frac{d}{dx}[x^2]=2x
    解释

    直接对 x2x^2 项求导。

    步骤依据

    关于 x 的幂法则。

    视频直接表达
  5. 公式
    ddx[y2]=d(y2)dy⋅dydx\frac{d}{dx}[y^2]=\frac{d(y^2)}{dy}\cdot\frac{dy}{dx}
    解释

    因为 y 依赖于 x,使用链式法则重写 y2y^2 项。

    步骤依据

    对 (y(x)y(x))^2 应用链式法则。

    视频直接表达
  6. 公式
    d(y2)dy=2y\frac{d(y^2)}{dy}=2y
    解释

    对外层函数 y2y^2 关于 y 求导。

    步骤依据

    中间变量 y 的幂法则。

    视频直接表达
  7. 公式
    2x+2ydydx=02x+2y\frac{dy}{dx}=0
    解释

    将两个求导部分代回方程。

    步骤依据

    代数代入拆分后的导数方程。

    视频直接表达
结论

隐式方程 x2+y2=1x^2+y^2=1 求导得到 2x+2ydydx=02x+2y\frac{dy}{dx}=0,使得 dy/dxdy/dx 准备好被求解。

dy/dxdy/dx 的代数解

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    可见序列:2x+2y(dy/dx)=02x+2y(dy/dx)=0,然后 2y(dy/dx)=−2x2y(dy/dx)=-2x,然后 dy/dx=(−2x)/(2y)dy/dx=(-2x)/(2y),然后 dy/dx=−x/ydy/dx=-x/y。

  2. 声音
    观察依据

    演讲者解释从两边减去 2x 并将两边除以 2y。

严格证明
步骤
  1. 公式
    2x+2ydydx=02x+2y\frac{dy}{dx}=0
    解释

    从黑板上已有的求导后的隐式方程开始。

    步骤依据

    之前对 x2+y2=1x^2+y^2=1 进行的隐函数求导。

    视频直接表达
  2. 公式
    2ydydx=−2x2y\frac{dy}{dx}=-2x
    解释

    将 2x 项移到右边。

    步骤依据

    两边减去 2x。

    视频直接表达
  3. 公式
    dydx=−2x2y\frac{dy}{dx}=\frac{-2x}{2y}
    解释

    除以系数 2y 以隔离 dy/dxdy/dx。

    步骤依据

    两边除以 2y,假设 y≠0y\neq 0。

    视频直接表达
  4. 公式
    dydx=−xy\frac{dy}{dx}=-\frac{x}{y}
    解释

    消去公因子 2。

    步骤依据

    分数的代数化简。

    视频直接表达
结论

单位圆的隐式导数为 dy/dx=−x/ydy/dx=-x/y。

在标记点评估切线斜率

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板在标记点旁边写下 m=−(2/2)/(2/2)=−1m=-(\sqrt{2}/2)/(\sqrt{2}/2)=-1。

  2. 声音
    观察依据

    演讲者将坐标代入 -x/y 并得出斜率为 -1。

数值验证
步骤
  1. 公式
    m=dydx=−xym=\frac{dy}{dx}=-\frac{x}{y}
    解释

    使用之前推导的隐式导数作为斜率公式。

    步骤依据

    来自 dv-solve-dydx。

    视频直接表达
  2. 公式
    m=−2222m=-\frac{\frac{\sqrt{2}}{2}}{\frac{\sqrt{2}}{2}}
    解释

    代入 x=2/2x=\sqrt{2}/2 和 y=2/2y=\sqrt{2}/2。

    步骤依据

    所选点在单位圆上有标记。

    视频直接表达
  3. 公式
    m=−1m=-1
    解释

    分子和分母相等,因此它们的商为 1,保留前面的负号。

    步骤依据

    算术化简。

    视频直接表达
结论

(22,22)\left(\frac{\sqrt{2}}{2},\frac{\sqrt{2}}{2}\right) 处的切线斜率为 -1。

例题详解 · 3

通过隐函数求导寻找单位圆的切线斜率

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    解题示例围绕 x2+y2=1x^2+y^2=1 及其求导形式构建

  2. 图示
    观察依据

    绘制了一个单位圆,并在圆的右下部分的一个点上添加了一条黄色切线段

  3. 声音
    观察依据

    演讲者将问题框架为找出单位圆上任意一点切线的斜率

待核验内容
  1. 在此摘录中仅设置了示例;在 180 秒之前未达到切线斜率的最终公式。

题目

给定单位圆关系式 x2+y2=1x^2+y^2=1,确定如何找到圆上任意一点的切线斜率。

已知条件
  1. 关系式为 x2+y2=1x^2+y^2=1。

  2. 图像是以原点为中心的单位圆。

  3. 所需的几何量是圆上某点切线的斜率。

目标

设置隐函数求导,以便在不先将圆解为 x 的显式函数的情况下找到切线斜率。

步骤
  1. 公式
    x2+y2=1x^2+y^2=1
    解释

    识别需要求切线斜率的关系式。

    步骤依据

    演讲者以陈述此方程并展示其单位圆图像开场。

    视频直接表达
  2. 公式
    Not y=f(x) globally\text{Not } y=f(x) \text{ globally}
    解释

    注意整个圆不是一个 x 的显式函数,因为典型的 x 对应两个 y 值。

    步骤依据

    演讲者明确将圆与 y 关于 x 的显式函数定义进行对比。

    视频直接表达
  3. 公式
    y=1−x2,  y=−1−x2y=\sqrt{1-x^2},\; y=-\sqrt{1-x^2}
    解释

    提及拆分为上下分支的可能变通方法。

    步骤依据

    演讲者写下这两个公式作为诱人的显式方法。

    视频直接表达
  4. 公式
    ddx[x2+y2]=ddx[1]\frac{d}{dx}[x^2+y^2]=\frac{d}{dx}[1]
    解释

    与其解出 y,不如对原始关系式两边关于 x 求导。

    步骤依据

    演讲者说这是隐式利用链式法则的方法。

    视频直接表达
  5. 公式
    ddx[x2]+ddx[y2]=0\frac{d}{dx}[x^2]+\frac{d}{dx}[y^2]=0
    解释

    使用和法则展开左边,并将右边简化为常数的导数。

    步骤依据

    演讲者口头陈述和法则并在黑板上写出结果方程。

    视频直接表达
结果

在这 180 秒的摘录中,示例达到了求导设置 ddx[x2]+ddx[y2]=0\frac{d}{dx}[x^2]+\frac{d}{dx}[y^2]=0,但尚未显示最终的斜率公式。

检验

设置可以与黑板内容核对:原始方程、两个显式分支、标题“Implicit Differentiation”以及求导行在片段结束时都清晰可见。

示例:对 x2+y2=1x^2+y^2=1 进行隐函数求导

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    示例工作是单位圆 x2+y2=1x^2+y^2=1,右侧也显示了显式分支。

  2. 声音
    观察依据

    讲解者逐步推导这个确切方程的求导过程。

待核验内容
  1. 此片段中未代入数值点;示例保持符号化。

题目

找到单位圆 x2+y2=1x^2+y^2=1 的微分关系,并准备求解 dy/dxdy/dx。

已知条件
  1. x2+y2=1x^2+y^2=1

  2. y 被视为 x 的函数

  3. 关于 x 求导

目标

获得一个包含 dy/dxdy/dx 的方程,可用于求解切线斜率。

步骤
  1. 公式
    ddx[x2+y2]=ddx[1]\frac{d}{dx}[x^2+y^2]=\frac{d}{dx}[1]
    解释

    对圆方程两边应用 d/dxd/dx。

    步骤依据

    讲解者陈述的隐函数求导程序。

    视频直接表达
  2. 公式
    ddx[x2]+ddx[y2]=0\frac{d}{dx}[x^2]+\frac{d}{dx}[y^2]=0
    解释

    分离左边导数并评估右边导数。

    步骤依据

    求和法则和常数的导数。

    视频直接表达
  3. 公式
    2x+d(y2)dy⋅dydx=02x+\frac{d(y^2)}{dy}\cdot\frac{dy}{dx}=0
    解释

    评估 x 项并通过链式法则展开 y 项。

    步骤依据

    幂法则加上 y(x)y(x) 的链式法则。

    视频直接表达
  4. 公式
    2x+2ydydx=02x+2y\frac{dy}{dx}=0
    解释

    用 2y 替换 d(y2)dy\frac{d(y^2)}{dy}。

    步骤依据

    对 y2y^2 关于 y 应用幂法则。

    视频直接表达
结果

2x+2ydydx=02x+2y\frac{dy}{dx}=0

检验

讲解者在概念上检查结果方程包含 dy/dxdy/dx,并说下一步是求解它。

单位圆上的隐函数求导

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    例题使用 x2+y2=1x^2+y^2=1 并在 (2/2\sqrt{2}/2,2/2\sqrt{2}/2) 处求值 dy/dxdy/dx。

  2. 声音
    观察依据

    演讲者将任务框架为求导数,然后求单位圆上某点的斜率。

题目

给定 x2+y2=1x^2+y^2=1,隐式求 dy/dxdy/dx 并确定 (22,22)\left(\frac{\sqrt{2}}{2},\frac{\sqrt{2}}{2}\right) 处的切线斜率。

已知条件
  1. 曲线方程:x2+y2=1x^2+y^2=1。

  2. 曲线上的点:(22,22)\left(\frac{\sqrt{2}}{2},\frac{\sqrt{2}}{2}\right)。

  3. y 被视为 x 的函数。

目标

获得 dy/dxdy/dx 关于 x 和 y 的显式公式。在给定点处对该公式求值。

步骤
  1. 公式
    ddx[x2+y2]=ddx[1]\frac{d}{dx}[x^2+y^2]=\frac{d}{dx}[1]
    解释

    对圆方程两边关于 x 求导。

    步骤依据

    隐函数求导对等式两边应用 d/dxd/dx。

    视频直接表达
  2. 公式
    2x+2ydydx=02x+2y\frac{dy}{dx}=0
    解释

    将 x2x^2 求导为 2x,将 y2y^2 求导为 2y(dy/dx)2y(dy/dx);1 的导数为 0。

    步骤依据

    幂法则加上 y2y^2 的链式法则。

    视频直接表达
  3. 公式
    dydx=−xy\frac{dy}{dx}=-\frac{x}{y}
    解释

    解线性方程求 dy/dxdy/dx。

    步骤依据

    减去 2x 并除以 2y。

    视频直接表达
  4. 公式
    m=−2222=−1m=-\frac{\frac{\sqrt{2}}{2}}{\frac{\sqrt{2}}{2}}=-1
    解释

    将点坐标代入导数公式。

    步骤依据

    dy/dxdy/dx 给出曲线上某点的切线斜率。

    视频直接表达
结果

dydx=−xy\frac{dy}{dx}=-\frac{x}{y},且在 (22,22)\left(\frac{\sqrt{2}}{2},\frac{\sqrt{2}}{2}\right) 处切线斜率为 -1。

检验

计算出的斜率与单位圆第一象限 45 度点处向下倾斜的切线的视觉直觉相符。

图示与动画 · 7

带有高亮切线方向的单位圆图

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    在白色 x 轴和 y 轴上绘制了一个以原点为中心的蓝绿色圆,旁边有方程 x2+y2=1x^2+y^2=1

  2. 动画
    观察依据

    大约在 20 秒时,在圆的右下部分的一个点上添加了一条短的黄色切线段

  3. 声音
    观察依据

    演讲者说他很好奇如何找出这个单位圆上任意一点切线的斜率

待核验内容
  1. 确切的切点没有用数字标记。

图中对象
  1. 白色 x 轴和 y 轴

  2. 以原点为中心的蓝绿色单位圆

  3. 方程文本 x2+y2=1x^2+y^2=1

  4. 右下弧上的短黄色切线段

变化过程
  1. 在演讲者提出切线斜率问题后,静态圆图增加了一条黄色切线段。

不变量
  1. 圆保持以原点为中心。

  2. 方程 x2+y2=1x^2+y^2=1 保持在图形旁边可见。

数学含义

视觉上将代数关系与其几何意义配对,并隔离一个局部方向,以激发计算隐式定义曲线上某点切线斜率的问题。

书写两个显式半圆分支

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 动画
    观察依据

    公式 y=1−x2y=\sqrt{1-x^2} 然后是 y=−1−x2y=-\sqrt{1-x^2} 手写在黑板右侧

  2. 声音
    观察依据

    演讲者描述将圆拆分为两个单独的 x 函数

图中对象
  1. 右上手写公式 y=1−x2y=\sqrt{1-x^2}

  2. 下方手写公式 y=−1−x2y=-\sqrt{1-x^2}

  3. 现有的单位圆图

变化过程
  1. 两个新公式依次出现在圆的右侧。

不变量
  1. 原始圆方程和图形仍留在屏幕上。

数学含义

黑板在视觉上对比了隐式关系与需要单独求导的显式上下函数表示。

从概念名称到正式求导方程的转变

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 动画
    观察依据

    标题“Implicit Differentiation”写在示例上方

  2. 公式
    观察依据

    ddx[x2+y2]=ddx[1]\frac{d}{dx}[x^2+y^2]=\frac{d}{dx}[1] 出现在原始方程下方

  3. 公式
    观察依据

    随后的一行展开为 ddx[x2]+ddx[y2]=0\frac{d}{dx}[x^2]+\frac{d}{dx}[y^2]=0

图中对象
  1. 标题“Implicit Differentiation”

  2. 原始方程 x2+y2=1x^2+y^2=1

  3. 求导方程行

  4. 以 0 结尾的展开导数行

变化过程
  1. 添加了一个标题,然后将微分算子应用到两边,接着将左边分离为两个导数项,并将右边简化为 0。

不变量
  1. 单位圆和显式分支公式在黑板的其他地方仍然可见。

数学含义

书写序列展示了方法变得正式化:首先命名隐函数求导,然后将几何关系转化为求导后的代数陈述。

整体白板布局

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    黑色数字白板,顶部中央有标题“Implicit Differentiation”(隐函数求导),中间是圆图,左右两侧有方程。

图中对象
  1. 标题“Implicit Differentiation”

  2. 带坐标轴的单位圆图

  3. 左侧求导步骤

  4. 右侧显式分支公式

  5. 底部工作结果

变化过程
  1. 书写从导数设置累积到最终方程 2x+2ydy/dx=02x+2y dy/dx=0。

不变量
  1. 圆图和显式分支公式在整个片段中保持可见。

数学含义

视觉组织将隐式方程、其几何意义和显式分支分开,同时代数过程在下方展开。

带切线指示的圆图

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    绘制了一个以原点为中心的蓝绿色圆,带有 x 轴和 y 轴;一条黄色的类似切线的线段接触圆的右下部分。

待核验内容
  1. 确切的切点没有数值标记。

图中对象
  1. 蓝绿色单位圆

  2. 坐标轴

  3. 右下象限附近的黄色短线段

变化过程
  1. 黄色线段视觉上暗示了圆上某点的切线方向。

不变量
  1. 圆保持以原点为中心,对应于 x2+y2=1x^2+y^2=1。

数学含义

该图将代数导数 dy/dxdy/dx 与圆上切线的几何斜率联系起来。

将 y2y^2 重写为 (y(x)y(x))^2

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    在右侧,ddx[y2]\frac{d}{dx}[y^2] 被重写为 ddx[(y(x))2]\frac{d}{dx}[(y(x))^2],然后评估为 2ydydx2y\frac{dy}{dx}。

图中对象
  1. 表达式 ddx[y2]\frac{d}{dx}[y^2]

  2. 表达式 ddx[(y(x))2]\frac{d}{dx}[(y(x))^2]

  3. 结果 2ydydx2y\frac{dy}{dx}

变化过程
  1. 记号在应用链式法则之前使 y 对 x 的依赖变得明确。

不变量
  1. 被求导的基础项仍然是 y2y^2。

数学含义

这种视觉重写阐明了为什么会出现额外的因子 dy/dxdy/dx。

隐函数求导示例的白板布局

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    黑色数字白板显示标题“Implicit Differentiation”(隐函数求导),方程 x2+y2=1x^2+y^2=1,带有坐标轴的青色单位圆,黄色的显式分支 y=±1−x2y=\pm\sqrt{1-x^2},以及彩色的导数运算。

  2. 动画
    观察依据

    演示者将方程 2x+2y(dy/dx)=02x+2y(dy/dx)=0 复制到另一个区域,然后在下面写出代数步骤。

图中对象
  1. 标题文本“Implicit Differentiation”。

  2. 方程 x2+y2=1x^2+y^2=1。

  3. 以原点为中心带有 x 轴和 y 轴的青色单位圆。

  4. 黄色公式 y=1−x2y=\sqrt{1-x^2} 和 y=−1−x2y=-\sqrt{1-x^2}。

  5. 彩色导数方程,包括 2x+2y(dy/dx)=02x+2y(dy/dx)=0 和 dy/dx=−x/ydy/dx=-x/y。

  6. 圆上标记的点 (22,22)\left(\frac{\sqrt{2}}{2},\frac{\sqrt{2}}{2}\right)。

变化过程
  1. 方程 2x+2y(dy/dx)=02x+2y(dy/dx)=0 被复制到新位置以继续运算。

  2. 减法和除法代数步骤依次写在复制的方程下方。

  3. 写出最终简化的导数 dy/dx=−x/ydy/dx=-x/y。

  4. 圆上标记了一个点并标出了坐标。

  5. 在点附近添加了斜率评估 m=−(2/2)/(2/2)=−1m=-(\sqrt{2}/2)/(\sqrt{2}/2)=-1。

不变量
  1. 底层曲线在整个过程中保持为 x2+y2=1x^2+y^2=1。

  2. 在推导代数过程时,圆的绘图和坐标轴保持固定。

  3. 显式分支 y=±1−x2y=\pm\sqrt{1-x^2} 保持可见,以对比隐式方法。

数学含义

视觉布局将显式求解 y 与隐函数求导进行对比,然后利用圆图将符号导数与命名点处的具体切线斜率联系起来。

易错点 · 6

不要将整个圆视为一个显式函数 y=f(x)y=f(x)

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    演讲者预见到可能会跳入脑海的想法:这样定义的圆不是一个函数

  2. 声音
    观察依据

    他补充说对于任何 x 值,你实际上有两个可能的 y 满足该关系

误区

人们可能错误地假设,因为曲线由 x 和 y 的方程给出,所以 y 自动是 x 的单一显式函数。

说明

视频指出完整的圆关系不是 x 的显式函数;通常,圆上的一个 x 值对应两个 y 值,每个半圆上一个。

拆分分支是可能的但并非必要

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    演讲者说你可能会想把它拆分成两个单独的 x 函数并分别求导

  2. 声音
    观察依据

    然后他说他想做的是利用链式法则来隐式求导

误区

人们可能认为找到圆的切线斜率的唯一方法是先解出 y,然后分别对上下分支求导。

说明

视频将分支拆分作为一种有效的诱惑提出,然后引入隐函数求导作为避免显式定义 y 为 x 的函数的直接替代方案。

隐函数求导不是一个独立的神秘规则

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    演讲者说隐函数求导实际上只是链式法则的应用

  2. 声音
    观察依据

    他告诉观众始终记住这只是链式法则的应用

误区

学生可能将隐函数求导视为与普通求导规则无关的独立技巧。

说明

视频明确将隐函数求导框定为对 y 隐式依赖于 x 的关系式直接使用链式法则。

在隐函数求导中将 y 视为常数

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    讲解者明确警告,当关于 x 求导时,y 不是某种常数。

误区

人们可能错误地对 y2y^2 求导,仿佛 y 独立于 x,从而遗漏因子 dy/dxdy/dx。

说明

在隐函数求导中,y 是 x 的函数,因此 d/dx[y2]d/dx[y^2] 需要链式法则,等于 2ydy/dx2y dy/dx。

认为必须先显式求解 y

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    板书在隐式工作旁边显示了显式分支 y=±√(1−x21-x^2)。

  2. 声音
    观察依据

    课程通过对隐式方程直接求导来进行,而不是先求解。

待核验内容
  1. 视频没有用这些确切的话将其表述为误解;这种对比是从呈现结构中推断出来的。

误区

学生可能认为隐函数求导需要先将曲线重写为 y=f(x)y=f(x)。

说明

片段演示了直接对 x2+y2=1x^2+y^2=1 求导,尽管附近显示了显式分支以供比较。

认为隐函数求导需要先解出 y 的误解

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    演讲者强调:“我们在这里不必显式地将 y 定义为 x 的函数,但我们得到了包含 x 和 y 的导数。”

误区

人们可能认为除非将 y 重写为 x 的显式函数,否则无法找到导数。

说明

隐函数求导可以直接从 x 和 y 之间的关系产生 dy/dxdy/dx,结果允许包含两个变量。

概念关系 · 13

作为关系式图像的单位圆 → 该关系的图像是单位圆

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    x2+y2=1x^2+y^2=1 被显示

  2. 图示
    观察依据

    一个单位圆立即绘制在方程旁边

包含
解释

该关系的定义直接包含了其图像是单位圆的命题。

作为关系式图像的单位圆 → 为什么圆不是 x 的显式函数

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    演讲者从圆图过渡到陈述圆不是 x 的显式函数

对比
解释

同一方程与显式函数的概念形成对比,激发了为什么需要特殊方法的动机。

将圆拆分为两个显式函数 → 隐函数求导作为基于链式法则的关系式求导

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    两个显式分支公式被写出

  2. 声音
    观察依据

    演讲者然后说他想改用隐函数求导

对比
解释

显式分支方法被呈现为隐函数求导旨在避免的诱人替代方案。

隐函数求导作为基于链式法则的关系式求导 → 隐函数求导是链式法则的应用

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    演讲者说隐函数求导利用了链式法则,实际上只是它的应用

等价
解释

视频将命名的方法与链式法则在隐式环境中的特定用途等同起来。

第一步:对两边关于 x 求导 → 线性步骤:和的导数变为导数的和

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    黑板从 ddx[x2+y2]=ddx[1]\frac{d}{dx}[x^2+y^2]=\frac{d}{dx}[1] 进展到 ddx[x2]+ddx[y2]=ddx[1]\frac{d}{dx}[x^2]+\frac{d}{dx}[y^2]=\frac{d}{dx}[1]

应用
解释

在对两边求导后,应用和法则展开左边。

线性步骤:和的导数变为导数的和 → 右边的导数为零

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    在展开的导数行之后写出了行 ddx[x2]+ddx[y2]=0\frac{d}{dx}[x^2]+\frac{d}{dx}[y^2]=0

应用
解释

通过将右边评估为常数的导数来完成展开的方程。

通过隐函数求导寻找单位圆的切线斜率 → 单位圆隐函数求导的设置

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    解题示例和推导使用相同的显示方程序列

证明依赖
解释

示例的解决路径依赖于将原始关系转化为求导方程的推导。

x2+y2=1x^2+y^2=1 的隐函数求导设置 → d/dx[y2]d/dx[y^2] 的链式法则处理

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    讲解者说关键在于只需应用链式法则,并重复这只是链式法则。

  2. 公式
    观察依据

    y2y^2 项被展开为 d(y2)/dy∗dy/dxd(y^2)/dy * dy/dx。

证明依赖
解释

每当非 x 变量(如 y)出现在方程内部时,隐函数求导方法就依赖于链式法则。

x2+y2=1→dydxx^2+y^2=1 \to \frac{dy}{dx}

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    带切线段的圆图伴随着代数过程。

  2. 声音
    观察依据

    讲解者指出 dy/dxdy/dx 是任意点处切线的斜率。

应用
解释

隐式曲线 x2+y2=1x^2+y^2=1 用于计算 dy/dxdy/dx,这给出了圆上的切线斜率。

x2+y2=1x^2+y^2=1 的隐函数求导设置 → y=1−x2y=\sqrt{1-x^2}

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    右侧列出了 y=√(1−x21-x^2) 和 y=-√(1−x21-x^2),而主要推导保持在 x2+y2=1x^2+y^2=1。

待核验内容
  1. 片段没有执行这些分支的显式求导。

对比
解释

隐函数求导直接在关系式上工作,而显式分支显示了同一圆的替代求解形式。

y2y^2 的链式法则 → 隐函数求导法

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    步骤 d/dx[y2]=2y(dy/dx)d/dx[y^2]=2y(dy/dx) 被标记为“链式法则”,并用于隐函数求导推导中。

证明依赖
解释

隐函数求导推导依赖于链式法则来对 y2y^2 关于 x 求导。

隐函数求导法 → 由 dy/dxdy/dx 求切线斜率

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    在得到 dy/dx=−x/ydy/dx=-x/y 后,演讲者立即询问某点的切线斜率并代入该公式。

应用
解释

隐式找到的导数被应用于计算曲线上特定点的切线斜率。

问题定位 · 15

什么是隐函数求导,为什么使用它而不是先解出 y?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    演讲者定义了该方法并写下了标题“Implicit Differentiation”

涉及知识点
  1. 隐函数求导作为基于链式法则的关系式求导
  2. 为什么圆不是 x 的显式函数
  3. 将圆拆分为两个显式函数

为什么单位圆方程 x2+y2=1x^2+y^2=1 不能被视为一个显式函数 y=f(x)y=f(x)?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    演讲者说圆不是一个函数,并提到给定 x 有两个可能的 y 值

涉及知识点
  1. 作为关系式图像的单位圆
  2. 为什么圆不是 x 的显式函数

如何将单位圆拆分为上下显式分支?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    y=1−x2y=\sqrt{1-x^2} 和 y=−1−x2y=-\sqrt{1-x^2} 写在黑板上

涉及知识点
  1. 将圆拆分为两个显式函数

对 x2+y2=1x^2+y^2=1 进行隐函数求导的第一个代数步骤是什么?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    ddx[x2+y2]=ddx[1]\frac{d}{dx}[x^2+y^2]=\frac{d}{dx}[1] 作为第一行求导式写出

涉及知识点
  1. 第一步:对两边关于 x 求导
  2. 单位圆隐函数求导的设置

Why does the right-hand side become 0 after differentiating x2+y2=1x^2+y^2=1?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    求导后的方程以 =0=0 结尾

  2. 声音
    观察依据

    演讲者说常数的导数为零

涉及知识点
  1. 右边的导数为零
  2. 常数右边的导数

隐函数求导与链式法则有什么关系?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    演讲者反复说隐函数求导只是链式法则的应用

涉及知识点
  1. 隐函数求导作为基于链式法则的关系式求导
  2. 隐函数求导是链式法则的应用

这个隐函数求导示例试图计算什么几何量?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    演讲者说他想找出单位圆上任意一点切线的斜率

  2. 图示
    观察依据

    在圆上绘制了一条黄色切线段

涉及知识点
  1. 通过隐函数求导寻找单位圆的切线斜率
  2. 带有高亮切线方向的单位圆图

为什么对 y2y^2 求导会产生额外的因子 dy/dxdy/dx?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    讲解者花费片段中间部分解释为什么出现 dy/dxdy/dx。

涉及知识点
  1. d/dx[y2]d/dx[y^2] 的链式法则处理
  2. 在隐函数求导中将 y 视为常数

如何逐步对 x2+y2=1x^2+y^2=1 进行隐函数求导?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    从 x2+y2=1x^2+y^2=1 到 2x+2ydy/dx=02x+2y dy/dx=0 的完整板书序列。

涉及知识点
  1. x2+y2=1x^2+y^2=1 的隐函数求导设置
  2. 单位圆方程的隐函数求导
  3. 示例:对 x2+y2=1x^2+y^2=1 进行隐函数求导

在隐函数求导中,dy/dxdy/dx 在几何上代表什么?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    讲解者说 dy/dxdy/dx 是任意点处切线的斜率。

  2. 图示
    观察依据

    圆图上的黄色类似切线的线段。

涉及知识点
  1. dy/dxdy/dx 代表切线斜率
  2. 带切线指示的圆图

得到 2x+2ydy/dx=02x+2y dy/dx=0 后,下一步是什么?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    讲解者说下一个任务是求解 dy/dxdy/dx,但重排在此片段中未完成。

待核验内容
  1. 这里仅存在下一个代数步骤的设置。

涉及知识点
  1. 求解 dy/dxdy/dx 作为切线斜率

如何从 2x+2y(dy/dx)=02x+2y(dy/dx)=0 中解出 dy/dxdy/dx?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    片段展示了从 2x+2y(dy/dx)=02x+2y(dy/dx)=0 中完全代数隔离 dy/dxdy/dx 的过程。

涉及知识点
  1. 隐函数求导法
  2. dy/dxdy/dx 的代数解
覆盖情况与待核验内容

已覆盖 · 音频和黑板引入了 x2+y2=1x^2+y^2=1 并将其图像识别为单位圆。

已覆盖 · 演讲者提出了切线斜率问题,并解释了圆不是 x 的显式函数。

已覆盖 · 写出了两个显式半圆分支并作为替代方法进行了讨论。

已覆盖 · 演讲者引入隐函数求导作为基于链式法则的解出 y 的替代方案。

已覆盖 · 写下了标题“Implicit Differentiation”,并将微分算子应用到两边。

已覆盖 · 左边使用和法则展开,右边简化为 0。

已覆盖 · 演讲者开始讨论第一项并提到幂法则,但在片段结束前未显示完成的评估。

已覆盖 · 单位圆隐函数求导的单一连续示例工作;未检测到无关的场景中断。

已覆盖 · 可以看到隐函数求导的黑板背景和链式法则设置。

已覆盖 · 展示了并叙述了 dy/dxdy/dx 的代数隔离及化简为 -x/y 的过程。

已覆盖 · 演讲者解释了用 x 和 y 表示的导数的含义。

已覆盖 · 单位圆上的一个点被标记,切线斜率被评估为 -1。

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  • 隐函数求导 讲解定位 3:00
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    经审核的现行材料不先显式解出 yy,而是对 x2+y2=1x^2+y^2=1 做隐式求导;对 y2y^2 使用链式法则,得到 dy/dx=−x/ydy/dx=-x/y,并计算单位圆上标记点的切线斜率。