高等数学笔记:复合函数的二阶导数与参数方程求解曲率

该篇博客详细探讨了复合函数的二阶导数计算及其在求解曲率问题中的应用。通过参数方程,解释了如何利用矩阵运算求解曲率,并给出了具体的计算步骤和示例。同时,展示了如何将这些理论应用于实际问题中,如在曲线{x=t^2+2t, y=3ln(t)}

繁星数学随想录·技巧卷

复合函数的二阶导数与参数方程求解曲率

复合函数的二阶导数

通过函数乘法求导运算法则,经计算可得结果:
y=y(x)  ,  x=x(t)x′(t)=dxdt , y′(t)=dydt , x′′(t)=d2xdt2 , y′′(t)=d2ydt2d2ydx2=[  ]⋅y′′(t)−[  ]⋅x′′(t)d2ydx2=[x′(t)x′(t)3]⋅y′′(t)−[y′(t)x′(t)3]⋅x′′(t)d2ydx2=[x′(t)x′(t)3]⋅y′′(t)−[y′(t)x′(t)3]⋅x′′(t)=∣x′(t)x′′(t)y′(t)y′′(t)∣x′(t)3 \begin{aligned} & y=y(x) \ \ , \ \ x=x(t)\\ \\ & x'(t)=\frac{dx}{dt} \ , \ y'(t)=\frac{dy}{dt} \ , \ x''(t)=\frac{d^2x}{dt^2} \ , \ y''(t)=\frac{d^2y}{dt^2}\\ \\ & \frac{d^2y}{dx^2}=[\ \ ]\cdot y''(t)-[\ \ ]\cdot x''(t)\\ \\ & \frac{d^2y}{dx^2}=[\frac{x'(t)}{x'(t)^3}]\cdot y''(t)-[\frac{y'(t)}{x'(t)^3}]\cdot x''(t)\\ & \frac{d^2y}{dx^2}=[\frac{x'(t)}{x'(t)^3}]\cdot y''(t)-[\frac{y'(t)}{x'(t)^3}]\cdot x''(t)=\frac{\left|\begin{array}{ll} x'(t) & x''(t) \\ y'(t) & y''(t) \end{array}\right|}{x'(t)^3} \end{aligned} y=y(x)  ,  x=x(t)x(t)=dtdx , y(t)=dtdy , x′′(t)=dt2d2x , y′′(t)=dt2d2ydx2d2y=[  ]y′′(t)[  ]x′′(t)dx2d2y=[x(t)3x(t)]y′′(t)[x(t)3y(t)]x′′(t)dx2d2y=[x(t)3x(t)]y′′(t)[x(t)3y(t)]x′′(t)=x(t)3x(t)y(t)x′′(t)y′′(t)

参数方程求解曲率

曲率公式为: k=∣y′′(1+y′2)32∣\displaystyle{ k=\left|\frac{y^{\prime \prime}}{\left(1+y^{\prime 2}\right)^{\frac{3}{2}}}\right| }%k=(1+y′2)23y′′ ,这意味着,我们求解曲率的核心诉求转变为求解一阶导和二阶导的值。

由于在复合函数求二阶导的过程中,我们计算二阶导是将 xxxyyy 分别看作 ttt 的函数,而这也恰恰符合参数方程的形式,于是,对于参数方程的二阶导数,我们依然有与【复合函数的二阶导数】相同的结论。

然后代入曲率公式,经计算化简可以得到:
y=y(x)  ,  x=x(t)x′(t)=dxdt , y′(t)=dydt , x′′(t)=d2xdt2 , y′′(t)=d2ydt2d2ydx2=[x′(t)x′(t)3]⋅y′′(t)−[y′(t)x′(t)3]⋅x′′(t)=∣x′(t)x′′(t)y′(t)y′′(t)∣x′(t)3k=∣x′(t)y′′(t)−x′′(t)y′(t)∣(x′(t)2+y′(t)2)32=∣∣x′(t)x′′(t)y′(t)y′′(t)∣∣(x′(t)2+y′(t)2)3 \begin{aligned} & y=y(x) \ \ , \ \ x=x(t)\\ \\ & x'(t)=\frac{dx}{dt} \ , \ y'(t)=\frac{dy}{dt} \ , \ x''(t)=\frac{d^2x}{dt^2} \ , \ y''(t)=\frac{d^2y}{dt^2}\\ & \frac{d^2y}{dx^2}=[\frac{x'(t)}{x'(t)^3}]\cdot y''(t)-[\frac{y'(t)}{x'(t)^3}]\cdot x''(t)=\frac{\left|\begin{array}{ll} x'(t) & x''(t) \\ y'(t) & y''(t) \end{array}\right|}{x'(t)^3} \\ \\ & k = \frac{|x'(t)y''(t)-x''(t)y'(t)|}{(x'(t)^2+y'(t)^2)^{\frac32}} =\frac{\left|\left|\begin{array}{ll} x'(t) & x''(t) \\ y'(t) & y''(t) \end{array}\right|\right|}{(\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2})^3} \\ \end{aligned} y=y(x)  ,  x=x(t)x(t)=dtdx , y(t)=dtdy , x′′(t)=dt2d2x , y′′(t)=dt2d2ydx2d2y=[x(t)3x(t)]y′′(t)[x(t)3y(t)]x′′(t)=x(t)3x(t)y(t)x′′(t)y′′(t)k=(x(t)2+y(t)2)23x(t)y′′(t)x′′(t)y(t)=(x(t)2+y(t)2)3x(t)y(t)x′′(t)y′′(t)
在代入方程时,我们可以通过表格法参数方程作为辅助求解曲率(代入数值的手段),

遵循【交叉相乘再相减,平方求和开根号】的原则,

′'′′''′′
xxxx′(t)=x′(t0)x'(t)=x'(t_0)x(t)=x(t0)x′′(t)=x′′(t0)x''(t)=x''(t_0)x′′(t)=x′′(t0)
yyyy′(t)=y′(t0)y'(t)=y'(t_0)y(t)=y(t0)y′′(t)=y′′(t0)y''(t)=y''(t_0)y′′(t)=y′′(t0)

以题目作为示例:
曲线{x=t2+2ty=3ln⁡t 上对应于 t=1 的点处的曲率是 曲线 \left\{\begin{array}{l}x=t^{2}+2 t \\ y=3 \ln t\end{array}\right.\ 上对应于\ t=1\ 的点处的曲率是 曲线{x=t2+2ty=3lnt 上对应于 t=1 的点处的曲率是
解答过程:
k=∣∣x′(t)x′′(t)y′(t)y′′(t)∣∣(x′(t)2+y′(t)2)3=∣∣          ∣∣(x′(t)2+y′(t)2)3  (草稿纸写这个即可) k =\frac{\left|\left|\begin{array}{ll} x'(t) & x''(t) \\ y'(t) & y''(t) \end{array}\right|\right|}{(\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2})^3}= \frac{\left|\left|\begin{array}{ll} & \\ & \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \end{array}\right|\right|}{(\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2})^3}\ \ (草稿纸写这个即可) k=(x(t)2+y(t)2)3x(t)y(t)x′′(t)y′′(t)=(x(t)2+y(t)2)3            (草稿纸写这个即可)

t=1′'′′''′′
xxx2t+2=42t+2=42t+2=4222
yyy3/t=33/t=33/t=3−3/t2=−3-3/t^2=-33/t2=3

∣4   23−3∣=−18→ 1842+32=5 → 53=125k=  18  125 \begin{aligned} & \left|\begin{array}{ll} 4 & \ \ \ 2 \\ 3 & -3 \end{array}\right| = -18 \rightarrow \ 18\\ \\ & \sqrt{4^2+3^2}=5\ \rightarrow\ 5^3=125\\ \\ & k=\frac{\ \ 18}{\ \ 125} \end{aligned} 43   23=18 1842+32=5  53=125k=  125  18

解答完毕。

特别鸣谢:公式推导与表格法灵感来源于 CCLCCLCCL .

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